高壓永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)風(fēng)路優(yōu)化設(shè)計(jì)

(河北乾順節(jié)能科技有限公司 ，河北邯鄲 314001)

0 引言

電動(dòng)機(jī)中應(yīng)設(shè)法減少鐵心損耗和在定、轉(zhuǎn)子中電阻發(fā)熱損耗。為了防止絕緣系統(tǒng)的高溫對(duì)電機(jī)的毀壞,主要是消除這些損耗產(chǎn)生的熱量。消除熱量使用的一種方法是內(nèi)外風(fēng)扇的組合方法。在一臺(tái)全封閉型扇冷式電機(jī)中,有兩只電機(jī)軸帶動(dòng)的風(fēng)扇，其中一個(gè)在電機(jī)機(jī)座內(nèi)。它們使空氣在轉(zhuǎn)子和定子的端部流通將熱量帶走。然后這空氣由擋風(fēng)系統(tǒng)引導(dǎo)到端蓋的冷卻表面。由于對(duì)流和傳導(dǎo)的聯(lián)合作用,熱量消散到電機(jī)外部。一個(gè)外風(fēng)扇吹走了電機(jī)機(jī)殼上的空氣。熱量通過機(jī)殼傳出(機(jī)殼與定子直接連接),然后用外風(fēng)扇強(qiáng)迫對(duì)流帶走。

1 高壓隔爆型三相永磁同步電動(dòng)機(jī)冷卻方式

在TBF系列風(fēng)機(jī)用高壓隔爆型三相永磁同步電動(dòng)機(jī)，其轉(zhuǎn)子改為永磁體勵(lì)磁，冷卻方式為IC411帶內(nèi)風(fēng)扇的風(fēng)路的設(shè)計(jì)，現(xiàn)對(duì)其冷卻風(fēng)路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 電機(jī)基本定額參數(shù)

以400kW-8極典型規(guī)格為例進(jìn)行分析。

(1)相數(shù)m：3

(2)額定頻率f：50Hz

(3)額定功率P：400kW

(4)額定電壓Un：6000V

(5)額定電流In：43.04A

(6)極數(shù)：2p=8

(7)額定效率η：96.4%

(8)功率因數(shù)cosΦ：0.931

(9)最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tmax：2.33

(10)起動(dòng)電流倍數(shù)Tst：7.27

(11)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩倍數(shù)Tst：2.32

2 發(fā)熱計(jì)算

2.1 以下全部是電機(jī)工作額定功率時(shí)的損耗

銅耗

Pcu=mI2R=2671.9W

鐵耗

PFe=(k1pt1vt1+k2pt2vt2)=4357.7W

雜耗

機(jī)械耗按經(jīng)驗(yàn)值取額定功率的1%

Pj=4000W

3.2 內(nèi)風(fēng)扇功率

內(nèi)離心風(fēng)扇外形見圖1，內(nèi)外冷卻風(fēng)扇位置見圖2。

圖1 內(nèi)離心風(fēng)扇外形

按比轉(zhuǎn)速n選用，一般額定轉(zhuǎn)速n>1000時(shí)選擇軸流風(fēng)扇，否則選離心風(fēng)扇。

式中，η—風(fēng)扇的能量效率。對(duì)于徑向式葉片取η=0.15-0.2。

離心風(fēng)機(jī)的實(shí)際空載風(fēng)壓H

H=ηa0ρ(u22-u12)

H=ηa0ρ(u22-u12)=442.38N/m2

對(duì)徑向式葉片ηa0=0.6

式中，ρ—?dú)怏w密度，空氣1.29kg/m3；u2、u1—風(fēng)扇葉輪外徑和內(nèi)徑的線速度，m/s；D—風(fēng)扇葉輪外徑和內(nèi)徑，m；n—風(fēng)扇轉(zhuǎn)速，r/min。

離心風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量Q

Q=0.42u2S2=2.74m3/s

S2≈0.92πD2b=0.26

3.3 發(fā)熱總量

帶內(nèi)風(fēng)扇總發(fā)熱功率Pf

Pf=PCu+PFe+PS+Pj+Pv=17.55kW

去掉內(nèi)風(fēng)扇發(fā)熱功率Pw

Pw=PCu+PFe+PS+Pj=15.01

圖2 內(nèi)外冷卻風(fēng)扇位置

3.4 內(nèi)風(fēng)扇

在TBF系列高壓隔爆型三相永磁同步電動(dòng)機(jī)里面內(nèi)風(fēng)扇的主要作用是為轉(zhuǎn)子散熱，因是防爆電動(dòng)機(jī)故內(nèi)腔里面的空氣不與外部環(huán)境空氣接觸。在機(jī)殼上開設(shè)通風(fēng)道來讓內(nèi)風(fēng)扇帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)內(nèi)腔的空氣在軸向流通。把內(nèi)腔空氣吹到非軸伸端蓋，通過外風(fēng)扇的空氣對(duì)流來帶走非軸伸端蓋上內(nèi)腔轉(zhuǎn)子交換到端蓋上的熱量，起到散熱的作用。

而永磁電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子勵(lì)磁為永磁體，其工作時(shí)不產(chǎn)生熱量，從圖2中藍(lán)色橢圓內(nèi)看內(nèi)風(fēng)扇對(duì)線圈端部沒有起到太大的散熱作用。而內(nèi)風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)則需要2.54kW來驅(qū)動(dòng)。非軸伸端蓋因現(xiàn)采用了不帶導(dǎo)風(fēng)槽的平面結(jié)構(gòu)，散熱面積不夠，從而沒有起到理想散熱效果。

因風(fēng)路是在一個(gè)密閉的機(jī)殼內(nèi)部循環(huán)，風(fēng)機(jī)本身需要的功率大于通過非軸伸端蓋散出去熱量，使其內(nèi)風(fēng)扇本身變成了一個(gè)發(fā)熱源。

3 電機(jī)散熱面積

電機(jī)外殼見圖3，機(jī)座筒外形見圖4。

圖3 機(jī)殼外形

圖4 機(jī)座筒外形

機(jī)殼外表面積S1

S1=d2πL=3.15m2

通風(fēng)孔加出線口面積S2

S2=(180×310×4)+(290×180×4)+

(180×180)

=0.3m2

散熱筋面積S3(按散熱筋兩面全部參加散熱)散熱筋有5種規(guī)格

S3=(2×70×38×1245)+(2×70×12×

945)+(2×70×4×403)+(2×70×

4×438)+(2×70×4×180)

S3=8.78m2

機(jī)殼外表面槽鋼占面積S4

S4=4×244×1250=1.22m2

去掉槽鋼后增加散熱筋面積S5

S5=2×70×24×1245=4.1m2

帶內(nèi)風(fēng)扇的散熱面積

S內(nèi)=S1-S2+S3-S4=10.41m2

無內(nèi)風(fēng)扇的散熱面積

S無內(nèi)=S1+S3+S5=16.03m2

去掉槽鋼后散熱面積比

散熱面積增加了26%

槽鋼的散熱面積和帶槽鋼的總散熱面積比

4 電動(dòng)機(jī)的溫升

4.1 溫升計(jì)算

假定電動(dòng)機(jī)是一個(gè)均勻的發(fā)熱體，其比熱和散熱系數(shù)均為長(zhǎng)數(shù)，電動(dòng)機(jī)各部分溫度均勻。

假設(shè)電動(dòng)機(jī)向周圍介質(zhì)溫差成正比，而與電動(dòng)機(jī)本身溫度無關(guān)。

基于以上分析和假設(shè)，我們可以從電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量和使電動(dòng)機(jī)向外散熱面積及冷卻方式出發(fā)來推算電動(dòng)機(jī)的溫升。

式中，θ—電動(dòng)機(jī)溫升，K；ΔP—電動(dòng)機(jī)損耗之和，W；s—電動(dòng)機(jī)的散熱面積，m2；K—計(jì)算系數(shù)水冷取65;空冷取24.5。

帶內(nèi)風(fēng)扇和風(fēng)路溫升

去掉內(nèi)風(fēng)扇和風(fēng)路在增加機(jī)殼表面的散熱筋

4.2 電機(jī)的發(fā)熱曲線

圖5 試驗(yàn)樣機(jī)

圖6為TBF隔爆型自啟動(dòng)三相永磁電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)。根據(jù)樣機(jī)試驗(yàn)得出來溫升數(shù)據(jù)見表1。

圖6 TBF隔爆型自啟動(dòng)三相永磁電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)

時(shí)間U相溫度(℃)V相溫度(℃)W相溫度(℃)驅(qū)動(dòng)端軸承溫度(℃)非驅(qū)動(dòng)端軸承溫度(℃)9.1525.425.525.425.725.99.4534.834.135.339.237.410.1549.550.150.254.656.810.4560.560.960.665.467.411.1563.863.463.660.559.811.4565.965.765.755.358.412.1565.865.565.255.658.6

5 結(jié)語

高壓永磁同步電動(dòng)機(jī)去掉內(nèi)風(fēng)扇和內(nèi)風(fēng)扇風(fēng)路，并在機(jī)殼表面增加了24根散熱筋。溫升由于68.8K下降到40.2K效果明顯。所以TBF系列IC411冷卻方式的電動(dòng)機(jī)，優(yōu)化為去掉內(nèi)風(fēng)扇和對(duì)應(yīng)的內(nèi)風(fēng)路結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、性能更好、成本降低。

[1] 徐九芳.工業(yè)電動(dòng)機(jī)冷卻風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計(jì).中小型電機(jī)，1987.03.

[2] GB 755—2008 旋轉(zhuǎn)電機(jī)，定額和性能.

[3] 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[4] 唐任遠(yuǎn). 現(xiàn)代永磁電機(jī)理論與設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[5] 黃國治，傅豐禮.中小型旋轉(zhuǎn)電機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè).北京：中國電力出版社，2011.

[6] 王秀和.永磁電機(jī)，第二版.北京：中國電力出版社，2011.