工業(yè)用伺服電機(jī)循環(huán)冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化及應(yīng)用

徐 瑞，方 榮，鄭小偉，李瓊仙，程 磊

（江蘇亨通電力特種導(dǎo)線有限公司，江蘇 蘇州 215000）

在工業(yè)領(lǐng)域中，電機(jī)是設(shè)備動(dòng)力的來源，是整個(gè)設(shè)備的重要部件。電機(jī)在將動(dòng)力轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的同時(shí)也會(huì)將一部分能量轉(zhuǎn)化為熱能，而這一部分熱能在超過一定能量值范圍時(shí)會(huì)削弱電機(jī)性能，甚至當(dāng)超過承載極限時(shí)會(huì)燒毀電機(jī)，嚴(yán)重影響設(shè)備整體性能的發(fā)揮，給生產(chǎn)帶來影響。因此，需要對電機(jī)進(jìn)行冷卻。目前電機(jī)的冷卻方式主要有風(fēng)冷卻和液體冷卻兩種，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文所描述的現(xiàn)場設(shè)備為分電機(jī)式鋁合金拉絲機(jī)，電機(jī)采用的冷卻方式為水冷，冷卻介質(zhì)為蒸餾水，冷卻介質(zhì)通過循環(huán)泵向外輸出，經(jīng)過管式換熱器后進(jìn)入各分電機(jī)。

1 設(shè)備現(xiàn)場工況

本文中的系統(tǒng)受制于當(dāng)時(shí)構(gòu)建的種種條件，存在多個(gè)不合理之處，并且隨著設(shè)備的多年運(yùn)行不斷暴露出來，嚴(yán)重影響了主機(jī)性能的發(fā)揮。因電機(jī)冷卻介質(zhì)為蒸餾水，電機(jī)水槽、循環(huán)泵、管式換熱器材質(zhì)為鐵，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生銹垢，從而堵塞電機(jī)冷卻水槽，造成電機(jī)高溫，引發(fā)故障，進(jìn)而導(dǎo)致停機(jī)；同一臺(tái)拉絲機(jī)上的各分電機(jī)規(guī)格都不一樣，因此無法用常規(guī)電機(jī)進(jìn)行替換，水槽的疏通必須發(fā)回原廠家處理，維修成本高昂；循環(huán)泵和管式換熱器在高溫水的長時(shí)間作用下會(huì)被腐蝕或者銹穿，需要定期停機(jī)并進(jìn)行更換；各管式換熱器的工業(yè)冷卻水會(huì)并在一起由一路管道提供，進(jìn)出口壓差不一樣，壓差小的冷卻效果差；整個(gè)冷卻系統(tǒng)缺少實(shí)時(shí)監(jiān)測的元器件，導(dǎo)致巡檢人員和操作人員無法直觀地了解冷卻系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，管理人員也不方便遠(yuǎn)程查看，甚至當(dāng)水泵打不起冷卻水時(shí)循環(huán)泵已經(jīng)在運(yùn)行，巡檢人員和操作人員無法第一時(shí)間察覺，只有當(dāng)電機(jī)溫度高到一定程度造成電機(jī)故障時(shí)才反向查到冷卻系統(tǒng)故障；管道連接布局混亂導(dǎo)致維修保養(yǎng)困難，蒸餾水需要定期更換，但因機(jī)械密封，更換成本較高。

2 循環(huán)冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

電機(jī)水槽堵塞會(huì)導(dǎo)致電機(jī)高溫，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案需要考慮怎樣解決電機(jī)正常運(yùn)行產(chǎn)生的熱能問題。一個(gè)方案是采用比較常見的風(fēng)冷卻；另一個(gè)方案是繼續(xù)采用液體冷卻。

風(fēng)冷無需外部冷卻系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單，比較惡劣的環(huán)境也適用，且成本較低。但在本文所述案例中，電機(jī)為廠家定制，在定制設(shè)計(jì)之初就需要考慮后期使用風(fēng)冷情況。在同等大力矩條件下，為了達(dá)到冷卻效果，采用風(fēng)冷的電機(jī)外殼會(huì)很大。另外，現(xiàn)場空間有限，改造電機(jī)外殼成本高昂，基本等于購買兩個(gè)電機(jī)的價(jià)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(tǒng)、冷卻介質(zhì)，同時(shí)需要疏通電機(jī)冷卻通道。之前用蒸餾水冷卻是受制于當(dāng)時(shí)的條件，蒸餾水成本較低且具有一定冷卻功效。但電機(jī)外殼及循環(huán)泵屬于鑄鐵件，長時(shí)間在高溫的作用下會(huì)產(chǎn)生銹垢從而堵塞電機(jī)冷卻水道，造成冷卻失靈，進(jìn)而造成電機(jī)高溫。在電機(jī)外殼材質(zhì)無法改變的情況下，只能更換冷卻介質(zhì)，即采用變壓器油冷卻。變壓器油作為冷卻介質(zhì)，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(tǒng)可實(shí)現(xiàn)工業(yè)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(jìn)行常規(guī)維護(hù)。綜合考慮后，選擇采用不銹鋼板式換熱器，并根據(jù)進(jìn)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(jī)的工業(yè)水管道分開，從主管道接入，避免工業(yè)水壓力過小導(dǎo)致的換熱效果差。

3 循環(huán)冷卻系統(tǒng)方案實(shí)施

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，確定該伺服電機(jī)冷卻系統(tǒng)為IC3U7[1]。

電機(jī)冷卻方法代號(hào)主要由冷卻方法標(biāo)志、冷卻介質(zhì)的回路布置代號(hào)、冷卻介質(zhì)代號(hào)以及冷卻介質(zhì)運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)方法代號(hào)所組成。該系統(tǒng)中冷卻方法標(biāo)志為IC，U代表冷卻介質(zhì)為油，3代表冷卻介質(zhì)的循環(huán)回路為進(jìn)出口管道或者進(jìn)出口孔道，7代表冷卻介質(zhì)運(yùn)動(dòng)依靠外部電機(jī)或機(jī)構(gòu)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。具體管道及元器件布局連接見圖1。

因冷卻介質(zhì)為變壓器油，且泵組置于箱體上，為保障冷卻介質(zhì)的供給，系統(tǒng)采用齒輪泵。在箱體內(nèi)管道末端安裝球閥以防止變壓器油在泵組停止時(shí)倒流，且方便再次啟動(dòng)。在泵的入口處及出口處各安裝一個(gè)軟連接。在系統(tǒng)中設(shè)置泄壓管道，方便泄壓及保壓調(diào)試。在板式換熱器的2個(gè)入口處安裝法蘭球閥、法蘭Y型過濾器、帶485通信的數(shù)顯智能壓力表、帶485通信的數(shù)顯智能溫度表。法蘭球閥方便關(guān)斷，法蘭Y型過濾器過濾工業(yè)水及變壓器油中的雜質(zhì)，方便拆卸和清洗；壓力表和溫度表實(shí)時(shí)采集工業(yè)水及變壓器油入板式換熱器前的壓力和溫度，經(jīng)過可編程邏輯控制器 （PLC）集中到車間集控平臺(tái)及云平臺(tái)。在板式換熱器2個(gè)出口處安裝帶485通信的數(shù)顯智能壓力表、帶485通信的數(shù)顯智能溫度表，實(shí)時(shí)采集工業(yè)水及變壓器油入板式換熱器前的壓力和溫度。在靠近電機(jī)冷卻管道處安裝機(jī)械壓力表及壓力檢測開關(guān)，方便工作人員觀察冷卻壓力，壓力檢測開關(guān)將采集的壓力信號(hào)作為設(shè)備啟動(dòng)的前提條件及管道系統(tǒng)泄漏等異常的程序分析條件。電機(jī)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(tǒng)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(huán)冷卻系統(tǒng)調(diào)試

管道連接完成后進(jìn)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(nèi)冷卻回管出口套過濾袋，關(guān)閉板式換熱器前球閥，打開泄壓閥，然后啟動(dòng)電機(jī)判斷電機(jī)正反轉(zhuǎn)，通過泄壓管道查看變壓器油是否被抽起，抽起運(yùn)行一段時(shí)間后關(guān)閉泄壓閥，然后再進(jìn)行板式換熱器前端管道試壓，檢查確認(rèn)后打開球閥進(jìn)行板式換熱器后管道試壓，最后重點(diǎn)檢查電機(jī)冷卻管道接頭處是否有泄漏。

在進(jìn)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(guān)閉狀態(tài)，直到全部管道試壓結(jié)束。試壓結(jié)束后打開回管球閥，讓整個(gè)系統(tǒng)循環(huán)一段時(shí)間，其后停止泵組，更換濾袋，清洗Y型過濾器，再啟動(dòng)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(tǒng)閥門是否關(guān)閉或者堵塞。在各種條件滿足和系統(tǒng)運(yùn)行正常后啟動(dòng)設(shè)備帶負(fù)荷調(diào)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(jī)PLC或者網(wǎng)關(guān)通過Modbus通信協(xié)議[2]采集信號(hào)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(tái)，檢查數(shù)據(jù)是否正確。將數(shù)據(jù)上傳到云平臺(tái)，一方面方便管理人員遠(yuǎn)程監(jiān)控，另一方面數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫后方便設(shè)備傾向管理，其界面效果見表1。

表1 界面參數(shù)

冷卻系統(tǒng)完成上述調(diào)試后即可正常投入使用，建議定期清洗Y型過濾網(wǎng)、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(jié)束語

針對蒸餾水冷卻電機(jī)，無數(shù)的案例證明，不管是國產(chǎn)設(shè)備還是進(jìn)口設(shè)備，即使添加阻銹劑、除垢劑，設(shè)備在長時(shí)間運(yùn)行后都會(huì)產(chǎn)生銹垢，從而堵塞電機(jī)冷卻水槽，并且電機(jī)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(tǒng)維護(hù)成本較高。本文介紹了一種高效的伺服電機(jī)循環(huán)冷卻系統(tǒng)，其冷卻方式為ICU37，冷卻介質(zhì)采用變壓器油，冷卻效果良好。該系統(tǒng)基本給出了一個(gè)完整冷卻系統(tǒng)管道的全部要素和相應(yīng)的連接規(guī)范，同時(shí)采用智能儀表進(jìn)行通信，采集數(shù)據(jù)并上傳至云平臺(tái)，工作人員可對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和共享，系統(tǒng)更智能化和信息化。