淺議水冷直線電機(jī)基于實(shí)踐的散熱改善

史桂英 赫玉麗 于洪杰

（哈爾濱泰富實(shí)業(yè)有限公司，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 引言

電機(jī)溫升是電機(jī)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，影響溫升的關(guān)鍵因素主要是發(fā)熱和散熱，電機(jī)的主要熱源是繞組，在電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)時(shí)就會(huì)考慮繞組的發(fā)熱問題，而散熱問題相對(duì)比較復(fù)雜，理論計(jì)算很難準(zhǔn)確評(píng)估，需要試驗(yàn)來摸索和驗(yàn)證，本文所研究的水冷直線電機(jī)散熱就是以實(shí)際產(chǎn)品試制為基礎(chǔ)，以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)進(jìn)行的，通過試驗(yàn)和分析來探尋原因并提出改進(jìn)方案，從而改善電機(jī)的散熱效果。

2 電機(jī)初始情況

本文研究的電機(jī)初級(jí)初始結(jié)構(gòu)是初級(jí)鐵芯槽型為矩形開口槽，鐵芯沖片之間用膠粘接壓緊，在鐵芯軛部均勻分布多個(gè)圓底斜口槽，槽內(nèi)安裝冷卻管，初級(jí)繞組采用分?jǐn)?shù)槽環(huán)形散繞組形式，電機(jī)有外殼，并用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封，其冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示。運(yùn)行法測額定負(fù)載時(shí)的電機(jī)溫升為158.9K。

圖1

3 情況分析

電機(jī)溫升太高，已嚴(yán)重超過F級(jí)絕緣標(biāo)準(zhǔn)。電機(jī)的熱源為電機(jī)繞組，熱量傳遞路線如圖2所示，熱量傳遞第一路由繞組傳遞給鐵芯再由鐵芯分兩路導(dǎo)出，一路傳遞給冷卻管通過冷卻循環(huán)水將熱量帶走，另一路由鐵芯通過環(huán)氧樹脂傳遞給外殼上下板，通過外殼上下板與外界空氣進(jìn)行熱交換；第二路由繞組通過環(huán)氧樹脂傳遞給外殼側(cè)板，由外殼側(cè)板跟外界空氣進(jìn)行熱交換。

為分析各環(huán)節(jié)熱傳遞情況需監(jiān)測各環(huán)節(jié)溫度，試驗(yàn)結(jié)果如表1、表2所示：

本試驗(yàn)是自冷方式故不考慮冷卻管和冷卻循環(huán)水的原因，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，樣機(jī)的繞組熱敏電阻末態(tài)對(duì)應(yīng)溫度120℃，即繞組實(shí)際溫度不小于120℃，樣機(jī)的鐵芯末態(tài)溫度為79℃，外殼末態(tài)溫度僅為43℃，說明樣機(jī)的繞組與初級(jí)鐵芯之間，初級(jí)鐵芯與電機(jī)外殼之間，繞組與電機(jī)外殼之間的熱傳遞不好。

本試驗(yàn)主要分析水冷卻情況，依據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，樣機(jī)的繞組熱敏電阻末態(tài)對(duì)應(yīng)溫度120℃，即繞組實(shí)際溫度不小于120℃，而冷卻水溫差僅為3℃，分析認(rèn)為冷卻循環(huán)水沒有起到應(yīng)有的作用，該環(huán)節(jié)存在問題。

根據(jù)熱傳遞路線分析溫升高原因，如圖3所示，現(xiàn)忽略發(fā)熱狀況來分析其原因：

原因 1.電機(jī)繞組-初級(jí)鐵芯：繞組與鐵芯之間有槽絕緣，如果槽絕緣薄達(dá)不到絕緣要求，但槽絕緣越厚就會(huì)越硬，會(huì)導(dǎo)致槽絕緣與鐵芯之間有微小空隙，空氣是無限大熱阻會(huì)直接減少電機(jī)繞組傳遞給鐵芯的熱量。所以環(huán)氧樹脂的流動(dòng)性和導(dǎo)熱性很重要。同時(shí)初級(jí)鐵芯的疊壓緊致度也會(huì)影響熱量傳遞。

原因2.初級(jí)鐵芯-冷卻管：初級(jí)鐵芯與冷卻管均為金屬材料，本身導(dǎo)熱性非常好，但二者之間不可能完全接觸，非接觸處就會(huì)有空氣，對(duì)熱量傳遞影響非常大，所以要采取措施保證初級(jí)鐵芯與冷卻管完全接觸。

原因3.冷卻管-冷卻循環(huán)水：冷卻循環(huán)水是主要的冷卻手段，在水流量相同的情況下，冷卻水與冷卻管的接觸面積是影響冷卻效果的直接原因，所以要改善冷卻效果就要增加循環(huán)水與冷卻管的接觸面積。

原因4.初級(jí)鐵芯-外殼，電機(jī)繞組-外殼：電機(jī)整體用環(huán)氧樹脂進(jìn)行灌封，所以初級(jí)鐵芯、電機(jī)繞組與外殼之間將有環(huán)氧樹脂填充，又體現(xiàn)了環(huán)氧樹脂的流動(dòng)性和導(dǎo)熱性的重要性。

4 措施

針對(duì)以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)和原因分析采取了如下措施：

1）鐵芯沖片之間取消膠粘，改用鉚接方式；

2）采用流動(dòng)性和導(dǎo)熱系數(shù)更高的環(huán)氧樹脂；

圖2

表1

表2

圖3

3）冷卻管與初級(jí)鐵芯改為過盈配合，鐵芯軛部的圓底斜口槽改為圓底直口槽；

4）冷卻管與初級(jí)鐵芯之間涂高導(dǎo)熱材料；

5）冷卻管采用內(nèi)外表面非光滑的冷卻岐管，即異型管。

結(jié)論

改進(jìn)后同樣采用運(yùn)行法測額定負(fù)載時(shí)的電機(jī)溫升，溫升值為81.6K。與改進(jìn)前電機(jī)的溫升值158.9K降低了77.3K,說明以上針對(duì)散熱問題的分析和改進(jìn)措施都是有效的。

[1]史志東，易于散熱的直流電機(jī)[P].2010-07-21.中國專利：2009.2021.3942.

[2]董明海，一種鋼鋁復(fù)合散熱結(jié)構(gòu)電機(jī).[P]武漢登奇機(jī)電技術(shù)有限公司.武漢登奇機(jī)電技術(shù)有限公司，2010-10-27.中國專利：2009.2024.7117.

[3]蘇楠，變頻電機(jī)自帶散熱風(fēng)機(jī)的供電結(jié)構(gòu).[P].2010-10-20.中國專利：2009.2031.9159s.