工業用伺服電機循環冷卻系統的優化及應用

徐 瑞，方 榮，鄭小偉，李瓊仙，程 磊

（江蘇亨通電力特種導線有限公司，江蘇 蘇州 215000）

在工業領域中，電機是設備動力的來源，是整個設備的重要部件。電機在將動力轉化為機械能的同時也會將一部分能量轉化為熱能，而這一部分熱能在超過一定能量值范圍時會削弱電機性能，甚至當超過承載極限時會燒毀電機，嚴重影響設備整體性能的發揮，給生產帶來影響。因此，需要對電機進行冷卻。目前電機的冷卻方式主要有風冷卻和液體冷卻兩種，它們各有優缺點。本文所描述的現場設備為分電機式鋁合金拉絲機，電機采用的冷卻方式為水冷，冷卻介質為蒸餾水，冷卻介質通過循環泵向外輸出，經過管式換熱器后進入各分電機。

1 設備現場工況

本文中的系統受制于當時構建的種種條件，存在多個不合理之處，并且隨著設備的多年運行不斷暴露出來，嚴重影響了主機性能的發揮。因電機冷卻介質為蒸餾水，電機水槽、循環泵、管式換熱器材質為鐵，長時間運行會產生銹垢，從而堵塞電機冷卻水槽，造成電機高溫，引發故障，進而導致停機；同一臺拉絲機上的各分電機規格都不一樣，因此無法用常規電機進行替換，水槽的疏通必須發回原廠家處理，維修成本高昂；循環泵和管式換熱器在高溫水的長時間作用下會被腐蝕或者銹穿，需要定期停機并進行更換；各管式換熱器的工業冷卻水會并在一起由一路管道提供，進出口壓差不一樣，壓差小的冷卻效果差；整個冷卻系統缺少實時監測的元器件，導致巡檢人員和操作人員無法直觀地了解冷卻系統的運行狀況，管理人員也不方便遠程查看，甚至當水泵打不起冷卻水時循環泵已經在運行，巡檢人員和操作人員無法第一時間察覺，只有當電機溫度高到一定程度造成電機故障時才反向查到冷卻系統故障；管道連接布局混亂導致維修保養困難，蒸餾水需要定期更換，但因機械密封，更換成本較高。

2 循環冷卻系統方案設計

電機水槽堵塞會導致電機高溫，因此系統設計方案需要考慮怎樣解決電機正常運行產生的熱能問題。一個方案是采用比較常見的風冷卻；另一個方案是繼續采用液體冷卻。

風冷無需外部冷卻系統，結構簡單，比較惡劣的環境也適用，且成本較低。但在本文所述案例中，電機為廠家定制，在定制設計之初就需要考慮后期使用風冷情況。在同等大力矩條件下，為了達到冷卻效果，采用風冷的電機外殼會很大。另外，現場空間有限，改造電機外殼成本高昂，基本等于購買兩個電機的價格，因此該方案不宜采用。

本文所述液體冷卻方案采用的是之前的冷卻方式，但需要更換整套冷卻系統、冷卻介質，同時需要疏通電機冷卻通道。之前用蒸餾水冷卻是受制于當時的條件，蒸餾水成本較低且具有一定冷卻功效。但電機外殼及循環泵屬于鑄鐵件，長時間在高溫的作用下會產生銹垢從而堵塞電機冷卻水道，造成冷卻失靈，進而造成電機高溫。在電機外殼材質無法改變的情況下，只能更換冷卻介質，即采用變壓器油冷卻。變壓器油作為冷卻介質，其潤滑性和絕緣性較好，且比熱較大、粘度適中。

采用新的冷卻系統可實現工業水和變壓器油之間的熱能交換。管式換熱器冷卻效果差且所需空間大，無法進行常規維護。綜合考慮后，選擇采用不銹鋼板式換熱器，并根據進出口液體的流速、溫差等選擇換熱面積為15 m2的不銹鋼板式換熱器。將各拉絲機的工業水管道分開，從主管道接入，避免工業水壓力過小導致的換熱效果差。

3 循環冷卻系統方案實施

根據國家標準規范，確定該伺服電機冷卻系統為IC3U7[1]。

電機冷卻方法代號主要由冷卻方法標志、冷卻介質的回路布置代號、冷卻介質代號以及冷卻介質運動的推動方法代號所組成。該系統中冷卻方法標志為IC，U代表冷卻介質為油，3代表冷卻介質的循環回路為進出口管道或者進出口孔道，7代表冷卻介質運動依靠外部電機或機構系統驅動。具體管道及元器件布局連接見圖1。

因冷卻介質為變壓器油，且泵組置于箱體上，為保障冷卻介質的供給，系統采用齒輪泵。在箱體內管道末端安裝球閥以防止變壓器油在泵組停止時倒流，且方便再次啟動。在泵的入口處及出口處各安裝一個軟連接。在系統中設置泄壓管道，方便泄壓及保壓調試。在板式換熱器的2個入口處安裝法蘭球閥、法蘭Y型過濾器、帶485通信的數顯智能壓力表、帶485通信的數顯智能溫度表。法蘭球閥方便關斷，法蘭Y型過濾器過濾工業水及變壓器油中的雜質，方便拆卸和清洗；壓力表和溫度表實時采集工業水及變壓器油入板式換熱器前的壓力和溫度，經過可編程邏輯控制器 （PLC）集中到車間集控平臺及云平臺。在板式換熱器2個出口處安裝帶485通信的數顯智能壓力表、帶485通信的數顯智能溫度表，實時采集工業水及變壓器油入板式換熱器前的壓力和溫度。在靠近電機冷卻管道處安裝機械壓力表及壓力檢測開關，方便工作人員觀察冷卻壓力，壓力檢測開關將采集的壓力信號作為設備啟動的前提條件及管道系統泄漏等異常的程序分析條件。電機冷卻口和主管道之間采用金屬編織軟管連接。為保障冷卻系統耐用性，均采用304不銹鋼管材并采用氬弧焊焊接，若條件允許可做檢測探傷。

4 循環冷卻系統調試

管道連接完成后進行分段試壓，逐段檢查管道保壓情況。首先齒輪泵需要加引水，箱內冷卻回管出口套過濾袋，關閉板式換熱器前球閥，打開泄壓閥，然后啟動電機判斷電機正反轉，通過泄壓管道查看變壓器油是否被抽起，抽起運行一段時間后關閉泄壓閥，然后再進行板式換熱器前端管道試壓，檢查確認后打開球閥進行板式換熱器后管道試壓，最后重點檢查電機冷卻管道接頭處是否有泄漏。

在進行上述試壓的過程中，板式換熱器前的冷卻回管球閥要一直保持關閉狀態，直到全部管道試壓結束。試壓結束后打開回管球閥，讓整個系統循環一段時間，其后停止泵組，更換濾袋，清洗Y型過濾器，再啟動泵組，查看板式換熱器前后智能壓力表是否存在較大壓差，若存在較大壓差則需檢查板式換熱器及冷卻系統閥門是否關閉或者堵塞。在各種條件滿足和系統運行正常后啟動設備帶負荷調試，通過板式換熱器前后的智能溫度表檢查其冷卻效果。上位機PLC或者網關通過Modbus通信協議[2]采集信號上傳到車間視窗控制中心 （Windows Control Center，WinCC），再通過巨控模塊上傳到云平臺，檢查數據是否正確。將數據上傳到云平臺，一方面方便管理人員遠程監控，另一方面數據存入數據庫后方便設備傾向管理，其界面效果見表1。

表1 界面參數

冷卻系統完成上述調試后即可正常投入使用，建議定期清洗Y型過濾網、更換過濾袋。該方案的不足之處是變壓器油泄漏后清理困難。

5 結束語

針對蒸餾水冷卻電機，無數的案例證明，不管是國產設備還是進口設備，即使添加阻銹劑、除垢劑，設備在長時間運行后都會產生銹垢，從而堵塞電機冷卻水槽，并且電機水槽疏通難度較大、成本較高。另外，因蒸餾水需要定期更換，冷卻系統維護成本較高。本文介紹了一種高效的伺服電機循環冷卻系統，其冷卻方式為ICU37，冷卻介質采用變壓器油，冷卻效果良好。該系統基本給出了一個完整冷卻系統管道的全部要素和相應的連接規范，同時采用智能儀表進行通信，采集數據并上傳至云平臺，工作人員可對實時數據進行分析和共享，系統更智能化和信息化。