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大中型异步电机的通风散热

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【摘要】针对目前高效电机在电磁负荷较低的情况下,有些规格电机的温升仍居高不下,对通风散热结构进行剖析,旨在通过改善通风散热,在维持能效指标的前提下提高电磁负荷,以达到既高效,又节省有效材料的目的。另外,对本行业普通采用的结构,如转子支架纵筋的数目,探讨改进的渠道同时,抛出可供行业研讨的通风散热结构。

 

0引言

异步电机(本文均指“封闭式三相异步电动机”)的通风散热对电机的技术指标、经济指标及全方位的质量指标均起到至关重要作用。因为它不像电磁设计,利用行业中现有的、比较成熟的设计程序,就可以找到比较理想的设计方案,它需要依赖一些专项试验、对比、分析才能找到较优方案。由于异步电机现有的通风散热方式可以互相仿效、借鉴,规模较小的企业很难,或者不愿开展此项专题的试验研究,使得某些局部不完善之处,一直在本行业中沿用着。加之近20余年在材料、加工工艺及设计技术上的改进,通风散热结构也该“水涨船高”。因此对有些传统的、不尽完善之处,对提高性能、质量又有潜力可挖的局部结构,仍需业内人士进一步探讨。

 

通风散热设计现状

通过对大中型异步电机通风散热结构进行分析,得出设计现状

(1)异步电机的散热途径有:传导、辐射及对流。

(2)异步电机的通风元件有:内、外风扇、风罩、挡风板、通风槽板及热交换器等。

(3)异步电机的风路:内风路有:轴向、径向、轴径向,见图1、图2、图3

 

1 内风路为轴向的异步电机

2 内风路为径向的异步电机

3 内风路为轴径向的异步电机

 外风路,随冷却方式不同有:IC611IC616IC511IC81WIC15IC17几种,见图4、图5、图6、图7、图8

 

4 IC611自带置于上部热交换器的异步电机

5 IC616外加置于电机上部自带风机的热交换器的异步电机

6 IC511带有沿机座周围均匀分布的热交换器及异步电机

7 IC81W带空/水冷却热交换器的异步电机

8 异步电机 

风路点评:内风路,铁心不太长时,轴向(1)较好。瑞士BBC测试,尽管温度场不如径向均匀,但在电磁负荷相近的情况下,其最高发热部位并比不径向(2)的高。

 2宜用在24极电机上。因此种通风方式内风扇外径不能大于定子内径。24极电机转速高,可以弥补内风扇外径小的不足之处。混合通风(3)宜用在低速电机上。

 外风路,热交换器沿机座周围均匀分布的结构(6)风路分布均匀,冷却效果较好,其中心高于其余几种,可以采用将底脚抬高(安装方式为IMB20)的措施解决。

 /水冷(7)、他冷(8a)、管道通风(8b)在使用部门同意的情况下是最为理想的通风方式:冷却效果好、噪声低。

 4(IC611)、图5(IC616)是目前大中型异步电机生产厂家广泛采用的结构,若采用消声措施,与内风路匹配得当。任何转速上选用此结构均能收到满意的效果。

 对于静止的导风元件,设计时应考虑:在电机运行时产生的风阻及噪声要小,其结构还要顾及到便于清理污垢。内、外风扇宜选用轴流式、离心式中的后倾式。

 

2 有待探讨、改进之处

通风散热方式、风路结构及其选用,已是设计人员熟知之事,毋需赘述。以下侧重阐述容易被忽略,且对质量、性能又有较大影响的几处结构。

2.1 定子绕组端部绑扎

目前,本行业在定子绕组端部绑扎的操作上,几乎均采用玻璃丝绳一绑了之,见图9(a),不加垫块。若设计时将Xi(线圈端部的间隙,设计时,在程序中按设计员选定的数值输入电脑中)选的偏小,绕组端部包扎的层数偏多,端部间隙Xi(绕组端部线圈间的间距)几乎就不存在了。端部在整个绕组中占有一定的比例,特别是高压24极电机,它要占整个绕组的40%60%。如果这部分散热不好,定子绕组的温升将会“莫名其妙”地增高。

德国西门子公司纽伦堡电机厂,在对高压电机定子绕组的端部绑扎中,为了使线圈间有足够的通风散热间隙,加垫块,见图9(b)。并随电机的极数、规格的不同,垫块的规格有67种之多。在绑扎的操作中,应仔细、认真。

9成型绕组端部绑扎示意图

 2.2 带支架的转子

轴上焊筋的转子,称为带支架的转子。轴上焊的筋,有纵筋(有的厂家称其为“辐铁”)及横筋,横筋也兼做隔风板,见图10。带支架的转子,其纵筋的数目不宜太多,目前生产厂家选用6根的较多。6根筋,偏多。当轴的直径为200350mm时,选用3根或43040mm厚的筋即可。筋的数目多,除浪费工时、焊条、厚钢板外,还有以下两个缺点

(1)筋与轴相焊时,焊接处的金相结构要发生变化,使轴在该处的物理性能下降。若筋的数目增至68个,金相结构遭到破坏的区域就可能连成一周,轴就有可能在此处断裂。有不止一个厂家在返修的电机中,转轴没在最细的轴伸处断裂,而在较粗的焊筋处断裂。

(2)不利于通风。两筋之间的空间为通风道。筋的数目多,势必要增大风阻,影响通风效果

将纵筋的数目由68个减到34个的理论依据就是借助横筋补强,三种内风路中的径向及轴径向都要在纵筋间加隔风板,将它的厚度选为48mm,与纵筋焊牢,即可起到补强作用。

轴向通风时,横筋可以设计环状(10)。无论那种形状的筋,金工加工的外径的名义(公称)尺寸及公差要与转子铁心外径相同,以方便金工加工时测量带筋轴外径。 

10筋与轴相焊时,轴的金相结构遭到破坏示意图

西屋加拿大生产的2700kW 6极绕线转子电机带筋的轴,一端有隔风板作为补强的横筋,纵筋只用了340mm的厚钢板。

焊筋轴金工加工前要经过时效处理,在630℃温度下保温4h,炉温降至200℃~300℃时出炉自然冷却。若焊缝较大,应该分23次焊成,且每次焊后都要时效处理。焊接操作时,焊件的温度越高越好,尽量在大于200℃温度下焊成。焊条尽量选用G506的。

 2.3 内、外风扇均应选用后倾式的

大中型电机拖动的负荷绝大多数是一个方向旋转的。但是生产厂家及电机的使用部门,出于管理上方便,不必在旋转方向上分心,都愿意生产、选用可以正反转的电机,可以双向旋转的风扇,其损耗、噪声都比后倾式的大。这就需要双方从节能、文明生产的整体利益出发达成共识。

2.4 注意轴承部位的冷却

采用脂润滑滚动轴承的异步电机,其机械故障绝大部分出在轴承处。轴承部位温度偏高是其发生故障的主要原因之一。因此,带有内循通风的电机,在风路设计上不要忽略对轴承部位通风、冷却。例如,若热气流不可避免地要流经轴承附近的空腔时,可借助挡风板减弱它对轴承部位的直接吹拂。

用测温枪在轴承外盖处测得的温度不宜高于50℃;用埋入端盖或轴承套中的Pt100测得的温度不宜高于70℃。

 

3 内、外风路的最佳搭配

若外风路选用图6,与图4、图5相比,风路短,风阻也小。当内风路选用图2的结构时,可以考虑将轴上的纵筋焊成倾斜式,让它兼做内风扇,见图11。此时定、转子上的径向通风道的宽度应由传统的10mm改为20mm。裸露在径向通风道中的铜排,就是一个离心式风扇,轴上扭斜式的焊筋,实际上就是一个轴流式风扇。在这两个风扇的联合作用下,本结构的通风散热效果不会比带专设内风扇(采用本结构时,轴上的内风扇及定子上的挡风板都可以取消)的结构差的太大。 

11选用图2风路(b)、图3风路(a)时筋的布置

4 结语

(1)异步电机尽管问世百余年,仍存在改进的空间。2016年的政府工作报告中“创新”一词出现四十余次;20国杭州峰会上,中国抛出的治理经济的“中国药”—创新、开放、联动、包容,将“创新”列为首位。我们在电机的局部上做些改进,不言创新,至少也与“创新”这一国策合拍。

(2)合理的通风散热结构将会带来可观的效益。在相互效仿的同时,不要放过一点点地改进余地,应学习德国“不厌其烦”的工作作风。

(3)通风散热结构的改进,需依赖试验。借鉴哪家的结构也不如自己研制的可信度高;并且适用于本厂的加工工艺。

(4)从提高电机寿命着眼,通风散热结构的设计,一要使定、转子的温度场尽量均匀;二要顾及到轴承部位的冷却。

转自《防爆电机》2017年第6期


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