多功能電機散熱結構設計

梁炳其

（江門市江海區(qū)駿暉電器制造有限公司，廣東 江門 529000）

引言

隨著科技的發(fā)展，電機已經(jīng)成為各種機械設備中必不可少的動力組件。在電機高速運轉的過程中，如果產(chǎn)生的大量熱量沒有散發(fā)向電機外部，會導致電機發(fā)熱，直接影響裝置的運行，并減少電機的使用時長，甚至導致電機的損壞。因此，在使用電機時要重視散熱問題。在這種狀況下，如何找到合適的方式對電機進行有效散熱，成為業(yè)內(nèi)人士密切關注亟待研究的問題[1-2]。

1 電機發(fā)熱的原因及危害

電機作為多物理場、強耦合的能量轉換系統(tǒng)，其能量轉換效率并不是百分之百，在將電能轉換為機械能的過程中會損失一部分能量，這些損失的能量絕大部分轉換為熱能引起電機發(fā)熱。電機內(nèi)部的損耗主要由繞組線圈的電阻、磁性材料的磁阻和電機各部件間的機械摩擦造成，主要包含繞組銅耗、定轉子鐵耗和機械損耗三部分。電機繞組、定子和機殼等關鍵部件的接觸面之間存在絕緣漆、絕緣紙和空氣等熱導率極低的材料，增加了電機各部件間的接觸熱阻，極大地降低了電機關鍵部件的散熱效率。電機內(nèi)部的關鍵發(fā)熱部件與機殼之間的傳熱路徑長、接觸熱阻大，電機工作過程中產(chǎn)生的熱量不能及時傳遞至外部，引起電機內(nèi)部溫度升高。電機溫升過高將嚴重威脅電機絕緣壽命、運行效率和可靠性。過高溫升將導致繞組絕緣失效，轉子過高溫升會導致永磁體退磁，磁懸浮軸承處過高溫升會使得磁懸浮軸承控制精度下降[3]。

2 電機散熱方式

風冷散熱系統(tǒng)憑借成本低、可靠性高和安裝方便等優(yōu)勢在小功率電機散熱領域得到了廣泛應用。風冷散熱系統(tǒng)可以分為自然風冷和強迫風冷。自然風冷不需要額外的動力裝置，僅僅通過機殼與周圍空氣的自然對流進行熱交換。強迫風冷通常利用風扇系統(tǒng)加強電機與外部空氣的熱交換，額外的風扇系統(tǒng)提高了電機的散熱效率，但也在一定程度上增加了電機系統(tǒng)的電力消耗和噪聲[4]。在電機外部安裝散熱片進行散熱就是自然風冷，安裝散熱風扇進行散熱就是屬于強迫風冷。圖1 是電機的散熱翅結構截面圖，圖2 是一種采用封閉式內(nèi)部通風散熱系統(tǒng)的電機截面圖。

圖1 電機散熱片結構

圖2 采用封閉式內(nèi)部通風散熱系統(tǒng)的電機截面圖

但是散熱片的散熱速度太慢，散熱效果太差，內(nèi)部溫度依然沒有降低，散熱風扇通過風葉轉動雖然能將內(nèi)部熱量排出，但無法根據(jù)電機溫度情況調節(jié)風力大小，在電機溫度正常時，無法調小風力，電機溫度變高時，無法調大風力。本文設計了一種電機散熱結構，這種結構可以根據(jù)電機溫度情況調節(jié)風力大小，并且可以將外部的灰塵吸附在吸塵網(wǎng)上，避免灰塵在電機內(nèi)部堆積影響散熱。

3 多功能電機散熱結構設計及其工作原理

3.1 結構設計

所設計的多功能電機散熱結構，主要包括有電機、后軸、輸出軸、固定套、風葉、橡膠圈、第一風罩、第二風罩、吸塵網(wǎng)、卡圈、橡膠墊、第一空葉、第一實葉、滑槽、第二空葉、第二實葉[5]，具體構造見下頁圖3、圖4。

圖3 散熱結構示意圖

圖4 風罩結構示意圖

各部件的主要設計特征如下：

1）電機的輸出端固定連接輸出軸，電機遠離輸出軸一端固定連接有后軸，后軸上套接有固定套，固定套上下兩端均設置有風葉，風葉均與固定套固定連接

2）電機遠離輸出軸一側外殼卡接有第一風罩，第一風罩上遠離輸出軸一端內(nèi)側壁固定連接有第一空葉和第一實葉。第一空葉和第一實葉大小形狀相同，第一空葉和第一實葉呈間隔交替分布。

3）第二風罩遠離輸出軸一端內(nèi)側壁固定連接有第二空葉和第二實葉，第二空葉和第二實葉大小形狀相同，第二空葉和第二實葉呈間隔交替分布，第一風罩與電機外殼卡接處粘合有橡膠圈，卡接更加穩(wěn)固。

第一風罩遠離輸出軸一側開設有滑槽，滑槽呈圓環(huán)狀，滑槽內(nèi)轉動連接有第二風罩，方便轉動第二風罩調節(jié)角度，第二風罩內(nèi)部側壁開設有內(nèi)槽且內(nèi)槽內(nèi)卡接有卡圈，卡圈與內(nèi)槽卡接處粘合有橡膠墊，卡圈內(nèi)壁固定連接有吸塵網(wǎng)，外部的灰塵進入第二風罩，被吸附在吸塵網(wǎng)上，避免灰塵堆積影響散熱。

3.2 散熱結構工作原理

當電機在使用的過程中，電機運轉時，內(nèi)部轉子帶動后軸轉動，后軸轉動帶動風葉轉動，風葉轉動產(chǎn)生的風將電機內(nèi)部的熱量散向電機外部。通過調節(jié)電機上的第一風罩上轉動連接的第二風罩的角度，當?shù)谝粚嵢~與第二實葉位置相對時，風葉吹向電機外部的風力最大；當?shù)谝粚嵢~與第二實葉位置完全偏離時，風葉吹向電機外部的風力最小。可以根據(jù)電機溫度情況調節(jié)風力大小，在電機溫度正常時，可以調小風力；電機溫度變高時，可以調大風力。

在電機運轉時，通過設置吸塵網(wǎng)，外部的灰塵進入第二風罩，被吸附在吸塵網(wǎng)上，避免灰塵在電機內(nèi)部堆積影響散熱，通過設置橡膠圈，第一風罩與電機外殼卡接更加穩(wěn)固，不易偏移。需要更換吸塵網(wǎng)時，將卡接在電機上的第一風罩取下，從第二風罩內(nèi)取出卡接的卡圈，進行更換，此裝置具有很好的實用性和推廣性，便于推廣使用。

4 結語

本文設計的電機散熱結構，通過風葉的轉動產(chǎn)生風將電機內(nèi)部的熱量散向電機外部，通過設置電機上的第一風罩上轉動連接的第二風罩的角度，實現(xiàn)了根據(jù)電機溫度情況調節(jié)風力大小的功能，通過設置吸塵網(wǎng)達到了防塵的效果，避免灰塵在電機內(nèi)部堆積影響散熱。