采用双通道风扇实现定转子分开冷却的牵引电机难点.docx

采用双通道风扇实现定转子分开冷却的牵引电机冯亮（青岛鸿普电气科技有限公司牵引电机项目事业部）摘要：介绍一种新型冷却方式用于牵引异步电机，其特征是采用一个设计独特的双通道风扇，以及特定的零件配合，实现了异步牵引电机的定子封闭式通风和转子开放式通风的组合冷却方式。这种组合冷却方式使得定子绝缘可靠性和转子散热能力都能得到兼顾，实现牵引电机紧凑型、可靠性、可维护性的全面统一，尤其适合在多风沙、阴雨潮湿的恶劣环境条件下应用。关键词：牵引电机；双通道风扇；定转子分开冷却；紧凑型；可靠性；可维护性；轨道交通Traction motor with a double channel fan to realizestator enclosed cooling and rotor opened cooling separatelyFeng Liang(Qingdao Hope Electric Technology Co.,Ltd)Abstract: Introduces a new kind of cooling mode for traction asynchronous motor, its characteristic is to use a unique double channel fan, combined with specific parts, realize enclosed stator cooling and opened rotor cooling in one motor. This kind of cooling method can enhance stator insulation protection and rotor heat dissipation simultaneously, making traction motor a comprehensive of compact, reliability, maintainability, which is especially suitable for traction motor operated under bad environment of heavy rainy, sand and dust.Keywords: traction motor; double channel fan; stator & rotor cooling separately; compact; reliability; maintainability; rail transit 1 技术背景：工业三相异步电机的定子运行发热比转子略高，用于铁路车辆的牵引电机由于体积紧凑、工作负荷大，转子转差率也相对要大，转子发热量与转差率成正比，所以牵引电机的转子发热量能达到总体发热量的一半。 工业三相异步电机的通风冷却方式通常分为开放式和封闭式。（1） 采用开放冷却方式的电机：外部冷却空气直接流经定子和转子表面，带走大部分热量，冷却效果好。缺点是定子线圈绝缘系统容易受到外界灰尘、湿气、油污的侵蚀。根据国际电机协会的统计，由于定子绝缘故障造成电机失效的几率占到三成以上，仅次于轴承故障引起的电机失效。（2） 采用封闭冷却方式的电机：定子线圈不与外界环境接触，定子绝缘不会受到外界空气中灰尘、湿气、油污的侵蚀，因而可靠性提高。缺点是电机的散热能力受到限制，定子与外壳直接接触，热传导散热好，而转子封闭在壳体内，热量就很难散发出去，所以要提高封闭式电机的功率和效率，转子散热是比较大的挑战，同样功率和效率的电机，封闭式电机相对于开放式电机具有更大的体积和重量、材料成本也会因此上升。铁路车辆对牵引电机的总体要求是：体积小、重量轻、功率密度高，抵御恶劣环境能力强。（3） 根据当前地铁上应用的开放式自通风牵引电机的实际运行情况，在投入运行10年以后，定子绝缘的故障率会明显上升，其根本原因是因为定子绝缘材料的老化造成绝缘系统破坏进而烧毁电机。通常定子绝缘故障对于整个牵引电机是致命的，维修费用会达到整个电机价格的一半左右。（4） 通常在开放式自通风地铁牵引电机的进风口安装过滤除尘装置，滤除冷却空气中的大部分灰尘。过滤除尘装置，每三个月就需要定期清洗，其拆装、清洗过程需要大量人工。（5） 当前低地板有轨电车在国内迅速普及，有轨电车的牵引电机靠近路面，容易接触雨水和灰尘，需要采用封闭式牵引电机；为了增加转向架上方乘客和通道的空间，牵引电机的体积要足够小；为了满足更大的坡道通过性能和提高制动能量回收率，要求牵引电机的功率足够大，这些因素都对牵引电的机设计工作提出巨大的挑战。（6） 三相异步电机的转子发热多，通常转子工作温度比定子工作温度高50到100度，转子热量容易通过轴传导给轴承，轴承工作温度高会降低润滑脂的性能进而减低轴承的寿命。轴承内圈受热过度膨胀会使轴承的工作游隙消失，轴承卡死进而烧毁电动机。2 双通道风扇（1）双通道风扇的外形如下图所示，左图显示的是风扇的正面，右图显示的是风扇的后面。 （2） 双通道风扇的工作原理如下图所示。它是一个双向离心式风扇，即顺时针、逆时针旋转都能工作。其特殊之处在于把风叶圆周交替分成了两组，分别具有各自的进风口和出风口，一组用于转子冷却，给转子风道提供空气动力；另一组用于定子冷却，给定子风道提供空气动力，一个风扇发挥两个风扇的作用。可以全称为双向双通道离心式冷却风扇。3 双通道风扇应用于牵引电机的实例如下图所示整体通风散热结构可以概括为：在前端盖设置转子通风的进风口，后端盖设置定子通风进风口和转子通风出风口，电机机壳的四个角设置定子通风风道和出风口；转子与前、后端盖的两处简约式的迷宫密封配合把定子、转子隔离成两个空间，为实现定子封闭式通风和转子开放式通风提供必要的条件，所谓简约式迷宫密封就是曲折数量不要求太多，配合间隙大一些以便降低加工装配精度，能基本阻止空气流动就可以；双通道风扇的两组风叶分别为定子风道和转子风道提供动力。4 牵引电机采用双通道风扇后的特点和优势三相异步电机的定子绝缘采用耐高温有机材料，有机材料抵御环境侵蚀的能力比较弱。同时定子处于电机的外层与外界空气直接接触，因而热传导散热能力比较强。综合上述两点，要兼顾绝缘系统的防护防护和定子的散热，定子适于采用封闭式通风散热结构。三相异步电机的转子由于工作电压低，所以由转子导条及端环构成的鼠笼与转子铁心基本是直接接触，不必使用有机绝缘材料，因此转子抵御环境侵蚀的能力比较强。转子处于电机的内部，如果封闭起来，它的热量需要先通过内部空气搅动传给定子和端盖，再通过定子和端盖热传导到外界空气，热传递路径长造成转子的散热能力很差。综合上述两点，转子适于通过与外界直接进行空气交换带走热量，即开放式通风散热。根据定子和转子的特点，采用双通道风扇能够把两种散热方式 - 封闭式通风和开放式通风结合起来应用于同一个电机上，发挥各自的优势。作为开放式和封闭式电机的一个中间品种，能够替代一部分常规的开放式和封闭式电动机，使电动机具有更低的运行温度和更高的效率，轴承和定子绝缘的可靠性也更高。（1） 采用双通道风扇的电机代替开放式电机，比如地铁牵引电机，尤其是轻轨车辆运行在高架桥上，工作环境恶劣。由于转子依旧是开放式通风，转子的散热能力不变；定子采用封闭式通风，只有端部绕组散热受到一定的影响，但是定子绕组散热以热传导为主，受端部影响较小。带来的好处是端部绕组不与外界空气直接接触，也就避免了环境中的潮气、粉尘的侵蚀，绝缘材料的可靠性得到提高，长期运行能够减少绝缘故障的发生。地铁牵引电机的设计寿命是30年，根据使用经验，开放式自通风牵引电机在运行810后，绝缘系统故障率会明显上升，由于绝缘故障烧毁电机的情况会经常发生，造成地铁公司运营成本明显上升。而个别品牌的封闭式牵引电机坚固耐用，但是也有体积大，笨重的不足，不是所有品牌的转向架都能够承受的，通用性不强。（2） 采用双通道风扇的电机代替封闭式电机，转子由封闭式通风变为开放式通风，散热能力加强，转子温度降低，效率得到提高，或者同样的电机能够产生更大的功率。（3） 采用双通道风扇的电机，进风口只需安装单层防护网防止大颗粒异物进入，不需要安装多层的过滤装置，避免了定期清洗，维护工作变得容易简单。通常开放式自通风牵引电机的进风口都装有过滤网，每三个月就要拆下来定期清洗，然后再装上去，维护工作量很大。（4） 当前低地板有轨电车在各个城市快速普及，有轨电车的运行坡度大，要求功率密度高；其牵引电机距离地面很近，极容易接触沙石、灰尘、雨水，通常都要求使用封闭式牵引电机，所以在紧凑型、高功率、耐环境等性能方面