大中型电机空气冷却试验研究.doc

大中型电机空气冷却试验研究 王 成 陆振华/上海交通大学叶轮机研究所 摘要：以GB/T 1236-2000为依据，在不同的叶顶间隙和风扇位置下，对电机冷却风扇及其出口模型进行风洞试验。模型中，在风扇出口设置导流结构。通过试验得到该导流结构下风扇的性能和流量分配情况，对合理设计风路、分配流量，从而改善冷却性能提供依据。关键词：电机；空气冷却；风扇中图分类号：TM32 文献标识码：B文章编号：1006-8155（2008）03-0032-05Testing Research on Air Cooling Method for Large and Medium-sized MotorAbstract: According to GB/T 1236-2000, wind tunnel test was performed upon the cooling fan and outlet model of motor under the condition of different tip clearances and fan position. Flow guide structure was set at the outlet side of fan in models. The performance and flow distribution with flow guide structure were obtained based on test research, which provided reference for reasonably designing wind path, flow distribution and improving cooling performance. Key words: motor; air cooling; fan 60 引言电机在工作运行时，会产生损耗发热，使电机各部分温度升高。电机的单机容量越大，经济性能越好，同时电机的发热也会更严重1-2。提高单机容量，并确保电机能安全运行，维持在较低的温升水平，主要依靠冷却系统的改进，提高其散热能力。为了把电机损耗转化的热量全部传给电机周围的冷却空气，要求冷却空气尽量接触电机发热部件（绕组、铁心、结构件等），其风路又要与电机结构（电路、磁路）相适应1, 3-4。采用自扇冷的径向通风方式，冷却空气由两个轴流风扇从两端吸入，吹拂电机发热部件，克服通风回路的阻力，将电机内的热风排出到大气中5。为使得冷却空气与电机发热部件尽量接触，可以通过在风扇出口设置导流机构，合理分配流量。本文按照导流环的初步设计，对风扇的性能等指标进行研究，为进一步对其结构进行优化提供依据。1 试验装置收稿日期：2007-12-05 上海市 200240 本试验在如图1所示的试验装置上进行6-7。电机带动风扇旋转，将空气由喷嘴吸入风室，然后经过试验元件排出到大气中。1.喷嘴 2.风室 3.风扇 4.导流环5.轴承座 6.转速转矩仪 7.电机图1 试验装置总图试验元件包括风扇，导流环和出口模拟件，如图2所示。通过更换不同管径和长度的直风管，得到不同的叶顶间隙和风扇出口面距扩压管的距离。管径426mm，431mm，437mm对应的叶顶间隙依次为5mm，7.5mm，10.5mm。1.进口 2.风扇 3.直风管 4.导流环 5.槽型出口 6.圆孔出口 7.环形出口 8.扩压管端面图2 试验元件2 试验数据处理由气体基础理论及试验原理，有以下数据处理公式6-7： (1) (2) (3) (4) (5)式中为空气密度，；为大气压，；为空气中的水蒸气分压，；为环境绝对温度，；为总容积流量，；为流量系数；为膨胀系数；为喷嘴数目，；为第喷嘴的截面积，；为第喷嘴的壁面静压；为输入功率，；为电机转速，r/min；为转矩，Nm；为通风机静空气功率，；为通风机单位质量功，；为质量流量，；为通风机轴效率。3 试验结果及分析3.1 流量与风室静压差及流量与效率的对比（1）相同叶顶间隙下静压差比较图3 直风管直径426mm下流量静压差对比图4 直风管直径431mm下流量静压差对比图5 直风管直径437mm下流量静压差对比图3、图4和图5表示在相同的叶顶间隙下，直风管长度为100mm、120mm和140mm时流量与风室静压差的对比。减小直风管长度，可以调整风扇出口面到扩压管的距离，风扇由直风管进入扩压管。直风管长为120mm时风扇叶尖在扩压管端面上。在长度为100mm时，叶尖进入扩压管。由图示可以看出，在相同的叶顶间隙下，直风管长度取140mm时的静压差较小。其中，在直风管直径为426mm时，直风管长度越小，相同流量下的静压差越大；而在直风管直径为431mm和437mm时，直风管长度为100mm和120mm时的静压差比较接近。（2）相同叶顶间隙下轴效率的比较图6 直风管直径426mm下流量效率对比图7直风管直径431mm下流量效率对比图8 直风管直径437mm下流量效率对比图8、图9和图10表示在相同的叶顶间隙下，直风管长度为100mm、120mm和140mm时流量与轴效率的对比。如图所示，当直风管直径为437mm时，相同流量下，不同直风管长度得到的轴效率接近。直风管直径为426mm和431mm时，最大直风管长度140mm下得到的轴效率最低，长度为100mm和120mm下得到的轴效率接近。其中当直风管直径为431mm时，长度为100mm得到的轴效率略大于120mm下的轴效率，而直风管直径为426mm时，长度为120mm得到的轴效率略大。相同叶顶间隙下：当叶顶间隙为最大值，回流较大，轴效率接近，风扇出口面到扩压管距离对轴效率影响不明显；当叶顶间隙为7.5mm，5mm，即直风管直径为431mm，426mm时，直风管长度为100mm和120mm下的回流流量较大，得到的轴效率接近。 （3）相同风扇出口面离扩压管距离下压差比较图9 直风管长度100mm下流量静压差对比图10 直风管长度120mm下流量静压差对比图11 直风管长度140mm下流量静压差对比图9、图10和图11表示在风扇出口与扩压管距离相同时，直风管内径分别为426mm、431mm和437mm时流量与风室静压差的对比。增大直风管直径，风扇与直风管之间的间隙随之增大，依次为5mm、7.5mm、10.5mm。叶顶间隙增大，叶顶区域的回流流量随之增大，静压差减小。由图示可以看出，风扇出口与扩压管距离不变时，直风管直径越大，即叶顶间隙越大，则相同流量下的静压差越小。（4）相同风扇出口面离扩压管距离下轴效率比较图12 直风管长度100mm下流量效率对比图13 直风管长度120mm下流量效率对比图14 直风管长度140mm下流量效率对比图12、图13和图14表示在风扇出口与扩压管距离相同时，直风管内径分别为426mm、431mm和437mm时流量与轴效率的对比。如图所示，较小的直风管直径，即叶顶间隙越小，得到的轴效率越大。叶顶与直风管之间的区域存在回流，叶顶间隙越小，回流流量越小，而通风机功率变化不大，因而轴效率越大。（5）回归分析风扇的工作流量为65m3/min，对上述静压差以及轴效率在工作流量插值，得到表1。采用最小二乘法进行回归分析得到：p =640.479-15.4732-1.0643 L （6）=74.9972-1.5108-0.1351L （7）利用F检验对方程（6）、（7）进行显著性检验，得到回归方程（6）在0.01水平上显著，回归方程（7）在0.1水平上显著。表1 工作流量下的静压差与轴效率L /mm/mm57.510.5p/Pa/ %p/Pa/ %p/Pa/ %100474.563055.1875395.144847.5646356.711244.3706120464.024157.6290384.720645.6774373.711243.4625140394.165845.7965361.960140.0801342.620745.0313L直风管长度；叶顶间隙；p静压差；轴效率。3.2 进口流量约65m3/min时的流量分配情况（1）相同叶顶间隙图15 直风管直径426mm下流量分配图16 直风管直径431mm下流量分配图17 直风管直径437mm下流量分配 如图15、图16和图17所示，在相同叶顶间隙下，随着直风管长度增大，槽型出口的流量减小，圆孔出口的流量增大，环形出口的流量没有明显变化规律。（2）风扇出口面离扩压管相同距离图18 直风管长度100mm下流量分配图19 直风管长度120mm下流量分配图20 直风管长度100mm下流量分配如图18、图19和图20所示，相同的直风管长度，即风扇出口面与扩压管相同距离下，随着直风管直径增大，圆孔出口的流量增大；直风管长度取100mm、120mm时，槽型出口的流量和环形出口的流量在直风管直径431mm处分别有最小值和最大值4 结论（1）经过回归分析并检验，工作流量下，静压差、轴效率和叶顶间隙、直风管长度存在显著的线性相关关系。（2）相同的叶顶间隙下，较大的直风管长度，得到较小的静压差和轴效率；相同的直风管长度下，较大的叶顶间隙，得到较小的静压差和轴效率。（3）工作流量下：相同叶顶间隙，直风管长度越大，槽型出口的流量越小，圆孔出口流量越大；相同的直风管长度，叶顶间隙越大，圆孔出口流量越大。参 考 文 献1 丁舜年. 大型电机的发热与冷却 M. 北京: 科学出版社, 1992.2 魏永田, 孟大伟, 温嘉斌. 电机内热交换M. 北京: 机械工业出版社, 1988.3 K. Farsane, P. Desevaux, P.K. Panday. Experimental study of the cooling of a closed type electric motor J. Applied