箱式高壓電機冷卻系統設計

萬麗娟，李連生，曹 亭

(安徽皖南電機股份有限公司，安徽涇縣 242500)

0 引言

箱式高壓電動機冷卻系統，是一種較為復雜的空-空冷卻或空-水冷卻系統結構，即是指封閉式電動機內腔(空氣)的熱量通過熱傳遞給冷卻器，再由冷卻器傳遞給電動機以外的介質的一種冷卻方式。一般高壓箱式電動機冷卻方式為:IC611、IC616、IC81W 等，用于 YKK、YRKK、YKS等系列電機。本文重點討論了設計高壓電動機空氣冷卻系統的一些注意事項及優化建議。

1 電動機的風路設計

(1)箱式高壓電動機冷卻系統，一般按電動機內冷卻空氣流動的方向，可分為徑向、軸向和混合式三種。電機按防護等級一般可分為IP23(即開起式)和IP44(即封閉式)，不管是開起式電機還是封閉式電機，2極、4極、6極一般為徑向通風方式，即利用轉子上能夠產生風壓的零部件，如風葉、風道片、磁極等由電機兩端向鐵心中間鼓風，進而冷卻電機。該結構得到了廣泛應用，具體見圖1。

圖1 徑向通風方式結構

(2)8極、10極一般為混合通風系統，就是在電機轉子的一端安裝大的風扇，以加大風量。其缺點是沿軸的方向冷卻不均勻，易造成一頭熱一頭冷的現象。

(3)對于IP44及以上2極、4極、6極封閉式電機，其冷卻系統一般為IC611，即機座設計時，在機座頂部開窗口，頂部再設置冷卻器，這樣電機有兩套風路。首先，電機內部通過轉子上的風扇鼓出的風，一路吹向線圈端部，一路通過氣隙吹出，一路通過定轉子的通風槽間隙吹出。冷空氣由機座兩端進入，再由機座的中間吹出，吹出的熱風直接吹到冷卻管上，冷卻管內是冷空氣，通過熱交換冷卻機座內空氣后再由兩端進入機座。其次，外風路，即電機外部軸上自帶風扇，通過外部的風扇，向冷卻器管吹入冷風，與電機內部的熱風實現熱交換。對于8極、10極電機，由于其自身的轉速較低，自帶外風扇無法滿足電機散熱的需求，故一般設計為冷卻器上自帶風機。

但以上風路的設計中，進入空-空冷卻器各風管的風必須按風管所處的方位、角度、遠近以及電機外風扇或冷卻器的獨立風機吹來風的方位、角度、遠近和風速進行合理的分配，避免外風扇或風機扇出的風自然流出經普通風罩“順勢”進入冷卻管。對于冷卻器的設計，先根據電機的功率P和效率η計算出電動機的損耗值，再計算出電動機損耗值設計處冷卻管的數量，以及風扇直徑和葉片的數量。對于IC611的YKK電動機，其風罩的改進，措施可參考文獻[2]，應該找出縱、橫導風柵下端最佳距離和角度，最好初步計算后再生產試制，待合格后再批量生成。

(4)對于冷卻方式為IC616的電動機的冷卻器所帶的獨立風機，其風扇葉片離冷卻器端面不小于風扇葉片的外徑，在冷卻器端面處的風扇葉片外徑范圍內，各點風速應基本相等，最小風速不小于最大風速的1/2，即Umin＞1/2Umax。要達到以上要求，除設計安裝距離足夠大外，風機的結構特別是風機型式要保證風葉半徑長度范圍內各風速基本相等。要使各點風速相等，一方面風扇的鐵心要足夠小;另一方面風葉制成沿徑向要逐漸減小扭轉角。在實際使用過程中，有些電機的冷卻器各冷卻管排出的熱風溫度、速度相差很大，隨后用紙條逐根管作試驗，發現靠近冷卻器底部或最高部的冷卻管沒有風排出，同時和電機的旋轉方向有很大的關系，即面對電機主軸伸端，電機旋轉方向為右旋時，冷卻器右側的冷卻器出風較多，左側出風少，越靠近中間管出風越大，上側風速大于下側風速，這樣造成冷卻器利用系數過低。造成這樣的原因如下:

①冷卻器管排的布局不合理。目前冷卻管的形狀多數為圓形管，個別廠家采用橢圓形管(如BBC)，但實踐證明采用圓形管的工藝操作簡單，散熱形好。對于冷卻器管的排布目前國內廠家有兩種設計，即層形布置(見圖2)和M形布置(見圖3)，這兩種布置方法各有優缺點，具體哪種布置較好，由各廠家視具體情況而定。

②外風罩設計不合理，即上述的縱、橫導風柵下端最佳距離和角度，以及和外風扇設計的形狀有著很大的關系。如一臺400 mm中心高，4極、355 kW的電機，其管排數為6排，出廠試驗時發現其排出的風溫度較高，PT100檢測到定子繞組溫升接近80 K，盡管符合出廠的標準，但感覺不是很理想，通過計算發現每個冷卻管所帶走的熱量較多，可以適當考慮增加冷卻管的數量;同時外風罩設計不合理，沒有起到很好地合理分配風量的作用。隨后增加了兩排冷卻管，并對外風罩和外風扇都作了合理的改造，再次試驗后，定子繞組的溫升為60 K，滿意交付次臺電機。

圖2 層型布置

圖3 M(或W)型布置

2 冷卻系統優化設計

對于現行的箱式高壓電機，由于需滿足現場的安裝基礎要求，或者替代原先進口電機的要求，故在結構設計中經常出現雖保證了電機安裝尺寸，但卻滿足不了內部冷卻風路的設計，由于鐵心長度和機座尺寸限制，內部進風口過小。如圖4所示。

圖4 現行的箱式高壓電機進風口

經過計算，進風口進風量滿足不了該電機冷卻所要求的風量，但又由于受電機安裝現場的要求，不能加長機座。綜合各方考慮，故決定按圖5所示進行優化設計。

圖5 進風口優化設計

把環筋板改為帶導風筒的擋風板，并對兩種結構的風路進行有限元仿真。由于風路對于電機軸心圓周對稱，所以取徑向窄區域來進行計算，兩種結構風路的流線圖如圖6、圖7所示。

圖6 原結構風路流線圖

圖7 新結構風路流線圖

通過計算得到新風路的風量約是原風路風量的1.1倍，隨后通過試驗，驗證了此結構能夠解決電機風量不足的問題。這樣可以很好地解決一方面要顧及安裝尺寸問題，另一方面又要顧及冷卻風量的問題。

由于目前市場所需求電機的種類繁多，許多為非標電機，根據需求不一樣設計了很多冷卻風路結構。如一臺出口 YR系列電機，中心高為630 mm，12極的電機，由于其自身轉速不足，僅500 r/min，風量足夠，但風壓無法滿足冷卻系統的要求，經技術人員查閱大量資料，同時參考同類產品的設計，將上部冷卻器改為通風柜，即上部帶兩個獨立風機，電機內部轉子上不帶任何產生風壓的零部件，靠通風柜上獨立風機來帶動電機內部冷卻系統循環，從而起到冷卻電機的作用。

目前，國內一些生產廠家對355～500 mm電機采用鑄鋁轉子結構，在產品設計時，應充分考慮通風問題，一些型號的電機因轉子槽數過多，沖片兩槽之間的間隙過于狹小，加上一些工藝上的因素，致使電機溫升較高。設計過程中，在嚴格執行產品標準的同時，為了提高電機效率以及降低溫升過高的問題，可適當改變槽配合，即適當減少轉子槽數，增加通風間隙;結構上也可做調整，如改外混合通風系統等。

3 結語

經過多年來我國電機行業不斷的技術改進和創新，電機冷卻風路的設計也形式多樣，最主要的是要在生產實踐過程中，不斷總結經驗并做相應的改進，使電機設計水平不斷提高。

[1]GB/T 1993-93旋轉電機冷卻方法[S].

[2]王殿又，鄭海榮.改善風罩的導風結構提高電機風冷效率[J].防爆電機，2003(2):16.

[3]李海，張曉敏.電動機空-空冷卻效果及優化建設[J].防爆電機，2003(3):15-16.

[4]李賢明，李芳，劉淑軍，等.中型高壓電動機空-空冷卻器的研究與設計[J].中小型電機，2003(5):14-16.

[5]黃國治，傅豐禮.中小旋轉電機設計手冊[M].北京:中國電力出版社，2007.

[6]陳世坤.電機設計[J].北京:機械工業出版社，1990.