兩種不同通風結構對高壓電機性能的影響

賀文凱， 顧德軍， 王鴻鵠

(上海電機系統節能工程技術研究中心有限公司，上海 200063)

0 引 言

電機運行時產生的損耗轉變成熱能經電機冷卻系統帶走，同時使電機各部件溫度升高。電機設計除保證產品滿足設計輸入的要求外，還須考慮電機通風冷卻系統，使電機各部件溫度保持在合理的范圍內，確保電機安全運行。

按電機內冷卻空氣流動的方向，空氣冷卻系統可以分為： (1) 軸向通風；(2) 徑向通風；(3) 軸-徑向混合通風。不同的通風方式，繞組各點溫度分布情況各不相同，這在一定程度上影響到電機最終的冷卻效果。選擇電機的冷卻風路結構時，應綜合考慮電機容量、極數、轉速、鐵心長度及定、轉子鐵心內、外徑等參數，并應考慮到加工成本工時等因素。本文著重介紹在保持兩種電機的槽型結構和電磁參數一致的前提下，通過有限元法對兩種通風結構時的電機效率、溫升狀況作了對比分析。

1 徑向通風

徑向通風是冷卻空氣由兩側對稱進入，如圖1所示。冷卻空氣的主要部分經定子線圈端部→轉子軛部風路→轉子徑向風道→氣隙→定子徑向風道，最后經定子鐵心中部排出。這種通風系統便于利用轉子上能夠產生風壓的零部件(如通風槽片)的鼓風作用，因而得到廣泛應用[1]。

圖1 徑向通風風路組成

由于定子繞組端部散熱面積較大，所以靠近端部處溫升較低，由于出槽口處鐵心表面的散熱效果好，故繞組在該點溫度最低。該通風方式的通風損耗小，散熱面積大，沿電動機軸向的溫升分布比較均勻[2]。鐵心部分的繞組溫升基本相同，總體來說繞組各部分溫升差異很小。其缺點是風扇外徑一般都比轉子外徑小，所以風扇的風壓受到限制，該通風系統適用于中等轉速的電機，并需要設置徑向通風道，因而使得電動機軸向尺寸增大，也增加了加工成本。

2 軸-徑向混合通風

混合式通風系統兼有軸向和徑向兩種通道，但往往偏重一種。以軸向為主的混合式通風系統(轉子一端安裝離心式風扇)如圖2所示。

圖2 軸—徑向混合通風(一端進風)

冷卻空氣主要經由定子軛部、定子線圈端部、轉子軛部→氣隙→轉子通風道→定子徑向通風道→ 另一端定子線圈端部，最后由風扇排出。該通風方式仍為一端進風，另一端出風。風扇外徑不受限制，故可以做得比轉子外徑大得多，因此能產生較高的風壓，通風效果好。但是該通風系統不能用于軸向長度很大的電機，因為其左右兩端溫差較大，容易出現局部溫度較高的現象。目前，國內廣泛應用該通風系統于6極、8極、12極的高壓異步電機。

3 實例分析

根據以上兩種風路的分析，以一臺Y500- 4-1250kW-10kV高壓電動機為例，槽型結構和電磁參數一致，用流體場有限元方法，對徑向通風和混合通風(單側大風扇)做電機整體通風、風量、風壓、風速對比分析，為電機選擇通風方式做參考。

混合通風流線圖如圖3所示。徑向通風流線圖如圖4所示。由兩個流線圖可知，兩種通風結構的風量情況，其中混合通風風扇側風量比徑向通風端部風量大且集中在一側，但后者風量較均勻，鐵心間的徑向通風道在靠近兩側風量較大，中間部分風量較小。

圖3 混合通風流線圖

圖4 徑向通風流線圖

圖5 混合通風風壓圖

圖6 徑向通風風壓圖

混合通風風壓圖如圖5所示。徑向通風風壓圖如圖6所示。由兩個風壓圖可知，混合通風的風壓比徑向通風的風壓大很多，混合通風風壓最大值在風扇側，徑向通風的風壓最大值在電機兩側。

混合通風、徑向通風的風速圖分別如圖7、圖8所示。從兩個風速圖中，可以看出風速最大值出現在轉子風扇外圓附近，混合通風的風速最大值集中在一側(風扇側)，而徑向通風的風速最大值集中在電機兩側。

混合通風、徑向通風電機端部流體運動矢量圖分別如圖9、圖10所示。通過計算風扇損耗得出，混合通風的風扇損耗為7520.26W，徑向通風的風扇損耗為4064.60W。

圖7 混合通風風速圖

圖8 徑向通風風速圖

圖9 混合通風電機端部流體運動矢量圖

圖10 徑向通風電機端部流體運動矢量圖

通過有限元的分析,風扇尺寸已給定的情況下得出風量、風扇損耗值對照表，如表1所示。

表1 風量、風扇損耗值對照表

從圖3～圖10及表1中數據可以看出，針對該兩種分布的風扇風量，混流通風(單側大風扇)的風量、風壓大，風量集中在風扇側，風扇損耗大；徑向通風風量、風壓稍小，風量分布均勻，風扇損耗小。

基于上述理論分析對比，針對這兩種通風方式(混流通風和徑向通風)，風量相近的情況下，在Y500- 4900kW 10kV進行樣機試制，比較兩種通風方式的電機效率、溫升及機械損耗的試驗值，對照表如表2所示。

從表2數據可以得出，徑向通風的效率比混流通風效率高，徑向通風溫升值比混流通風的值大，徑向通風的機械損耗比混流通風的機械損耗小。

混合通風方式適合用在電機需要大風量、大風壓的情況下，且鐵心長度不宜過長，一般在大型電機中用的比較多；徑向通風方式應用比較廣泛，其風量分布比較均勻，風扇的損耗較小。

4 結 語

對比了電機的兩種通風散熱系統。在電機設計過程中，對電機通風散熱系統的分析和計算非常重要，關系到電機的溫升情況和電機的性能指標，根據電機的實際情況和電機的側重點選擇合適的通風方式。

【參考文獻】

[1] 陳世坤.電機設計[M].北京： 機械工業出版社，2000.

[2] 蒲工.異步電動機通風結構與溫升分布[J].上海大中型電機，2002(1)： 26-30.