【《大型异步电机风路研究文献综述》5000字】

-0-大型异步电机风路研究文献综述1.1国内外大型风路研究现状随着国内外电机制造水平的发展，市场需求的不断变化，不同种类的电机已被广泛应用于生产制造的各个领域。随着对电机使用需求的增加，人们对于电机的单机容量、负荷要求也在不断提高。为了保证电机安全运行、延长使用寿命，通风冷却设计便成为了电机研究中的重点和难点，特别是大中型电机的通风散热研究[10]。学者KIMC等采用电磁-热耦合分析方法，研究了大容量高速异步电动机气隙风扇对绕组冷却的影响。通过考虑气隙风扇引起的热流体特性和热流的变化，对电机绕组的冷却性能进行了计算和评价。由于流量的增加，绕组表面和气隙处的传热系数分别提高了31%和90%。采用前后侧气隙风扇，绕组冷却性能平均提高55%[11]。学者M.S.Rajagopal等应用有限元法对有径向通风冷却到通风方式的电机流道进行了理论研究[12]；学者Y.C.Chen通过CFD建模技术对电机风扇的流场进行了研究，分析了不同因素对风扇性能的影响，如风扇与风扇罩的间隙、风扇与支架的间隙、风扇罩的直径、风扇叶片的数量和弦长等[13]。TakafumiNakahama研究了电机轴流风扇的流场，分析了不同风扇叶片形式对电机冷却效果的影响。采用前掠倾斜风扇代替传统的冷却风扇。通过改进，电机绕组周围的风量增加了80%，冷却性能明显改善，定子线圈温升降低[14]。K.Farsane通过无干扰温度测量，流量显示和速度测量，指出了电动机的温升状态与空气动力学状态之间的相关性，并修改了电动机的几何结构，从而显著提高了冷却效果[15]。LukasKung等人基于空气动力学原理，改进了电机定子线棒和转子入口的结构，以达到更好的冷却效果[16]。M.Shanel等采用计算流体力学对凸极电机内的冷却系统进行了分析[17]。刘立峰通过运用CFD软件进行数值计算，研究了叶顶顶隙、风扇出口面到扩压管管距离等因素的影响，为大型电机冷却风扇的进一步优化提供了理论依据[18]。霍菲阳优化了发电机定子通风结构，提出了通风沟厚度不变、铁心厚度改变的方案与增加通风沟数量减小通风沟尺寸的方案，通过对比两种优化方案与正常结构的温度场计算结果，表明优化后冷却介质的利用率提升，明显提高了电机冷却效果[19]。温嘉斌等人研究了电机的通风结构，通过对外置风扇的分析，优化了外部风路的机构，使温度降低了3.3℃。对电机的通风结构和电机通风沟内流体的流动特性进行了深入的研究，分析了定子通风槽钢位置对电机冷却效果的影响，为电机通风冷却系统的优化提供了理论基础，具有重要借鉴意义[20~22]。胡俊辉等学者运用回路流量法对等效风路网络进行计算，较好的解决了风量分配的准确计算问题[23]。王殿友，郑海荣对电机风罩导风结构进行了优化，使得通风冷却效率和电机散热能力有了显著提升[24]。李海，张晓敏在IC611冷却方式的电机上设置了可调节的风罩导风栅，以解决冷却器流量分配的问题[25]。刘双等人应用有限元分析法，通过模拟通风系统的计算网络，对电机的温度场进行分析计，计算了电机所需要的总风量及风量分配情况，取得了较好的效果，提高了交流电动机的设计能力[26]。赵东芝通过对电机温升的研究，优化了内部通风结构，分析了降低电机温升的方法[27]。石中文和胡俊辉等学者为设计出有效的电机工程计算方法，对电机冷却器、通风系统、温升进等内容进行了深入的研究[28~29]。王兰兰通过对电机外风路的分析，研究了不同冷却流速下，电机内部温升情况，通过优化风扇、冷却器降低了电机的温升[30]。1.2大型异步电机风路对电机温升影响电机的散热源由电机损耗提供，其中包括铁耗，铜耗、附加损耗、机械损耗等，电机散热的具体过程为，在运行的初始阶段，物体的温度与周围介质温度相同，通过热对流和热辐射的方式向周围介质散热很少，其产生的热量绝大部分用于物体温度的提高；随着物体温度的升高，物体与周围介质的温差增大，散发到周围介质的热量增多，物体温度升高的速度减缓；当物体发出的热量全部散发到周围介质时，物体的温度达到稳定。通常情况，绕组温度会高于铁心温度，那是因为绕组热量的传导比铁心中热量的传导经过的材料多P（1-1）由公式1-1可知，影响电机功率的主要因素为：铁心外径、铁心长度、额定转速、气隙磁密、线负荷[31]。从式中我们很容易看出电机的功率是与其线性尺寸的立方成比例，电机的发热与电机的功率比例基本相当，而散热是与其线性尺寸的平方成比例，随着大型异步电动机功率密度的提高，电机的损耗及发热量也相应增大。以上海电机厂目前主流的空-水冷却，10kV级电动机为例，分别对比电机的体积、表面积、损耗等参数。表1-2参数对照表额定功率P(kW)1000200030005000700010000定子外径D(mm)8509501180118013201600铁心长度L(mm)65085071090010001000体积D2L(m3)0.470.770.991.251.742.56面积DL(m2)0.550.810.841.061.321.60线负荷As(A/cm)4896487088948991041额定损耗p(kW)38.284.7105.3159.9198.8278.5通过对比可知，电机容量增大10倍，其损耗也增大了约7倍，其体积增大了约5.4倍，其表面积尺寸仅增大了约2.91倍，也就是说，在表面尺寸提高2.91倍的情况下，要将7倍左右的损耗带走，这更加需要对电机的通风进行优化设计，提高电机的冷却能力，才能及时把电机产生的热量带走，电机的散热能力在很大程度上限制了其容量的提升。因此，对于大型电机来说，通风散热尤为重要。通风冷却就是在保证电机五大性能参数的基础上，合理控制电机内部各发热部件的温度，使其处在合理范围之内。一方面，在电磁方案设计中要选择合理的电磁方案，以减少电机的损耗和发热。另一方面，在电机结构设计上，需要考虑提高电机的冷却、散热能力。提升电机冷却效率，将电机各部位产生的损耗及时带走，只有这样，电机才能在合理的温升范围内工作。如果温升过高，会影响电机的使用寿命，超过了许用温度范围，绝缘材料的寿命会随着电机温度的升高而降低。冷却介质的温度和冷却流量这两个因素，会对电机冷却效果产生关键影响。以异步电动机为例，相同中心高相同铁心长情况下，IC81W冷却方式的电机比IC611冷却方式的电机要多出将近两个功率档，也就是说，在相同冷却面积下，相同冷却流量下，由于冷却方式的不同，致使其冷却空气的温度不同，电机容量增加了约1.25倍。按照GB/T1993的规定，电机的冷却介质有空气、氟利昂、氢气、氮气、二氧化碳、水、油等。发电机因冷却能力的限制，往往会采用氢冷或水内冷，从安全性和经济性考虑，电动机的冷却介质通常为空气。防护等级IP23以下的为开启式电机，由环境空气直接参与电机的冷却，冷却电机内部零部件后，热空气由电机的出风口排出，不在电机内腔循环。防护等级IP44以上的电动机采用封闭循环通风，电机内部通过内风扇驱动内风路的冷却介质（通常为空气）进行循环，与冷却器进行热量交换。常见冷却方式为空-空冷却、空-水冷却。对于功率超过10000kW的异步电动机来说，国内电机厂家通常选择空-水冷却。异步电动机常用的内部冷却循环风路有三种结构：轴向通风、径向通风和轴-径向混合通风。不同的通风方式对绕组温度分布情况的影响各不相同，因此电动机的最终冷却效果也将有所不同[32]。选择电动机的冷却风路结构时，应综合考虑电机容量、极数、转速、铁心长度及定、转子铁心内、外径、加工成本等因素。下面分别介绍不同的循环风路结构特点，以及不同循环风路结构的适用范围。图1-1轴向通风示意图电机内部轴向通风方式：轴向通风的最主要特征是定子和转子铁心没有径向通风道。冷却介质主要沿着电机的轴向风路流动，与电机的定转子铁心、线圈、导条等进行热量交换。为了增大通风量，通常转子轭部会有轴向通风孔，由于定子轭部的开孔或冲冷却齿对改善电机的散热效果不是特别显著，通常定子轭部不带通风孔。如图1-1所示，冷却介质在电机内部沿电机轴向流动。按箭头方向所示，冷却空气经离心风扇驱动后，从电机风扇侧进入定子通风道，从非风扇端定子通风道经定子线圈到达铁心部位，经转子通风孔、定转子之间的气隙沿轴向流动。流经电机铁心后再经过风扇的驱动进入定子通风道，完成内风路的循环。因此，电机内部主要存在气隙风路、转子通风孔风路和定子通风道风路。冷却介质在这三个通风道中沿直线方向流动，无转变方向。该种循环方式风阻较低，电机的通风损耗少。对于容量较大的电机，可以采用大于转子外径的风扇，来增大风扇驱动空气作用，提高冷却效果。经过研究和实验发现，定子铁心30%的损耗可以被流经通风槽口的冷却介质带走。这是由于流经定子槽口的冷却介质靠近电机的主热源，绕组产生的热量可以被直接带走。因此，对于轴向通风而言，带通风槽口的定子槽具有更好的冷却效果。轴向通风电机没有径向通风道，结构更简单，同时电机的零部件种类减少，可以缩短铁心及绕组的长度，整个电机的结构更加紧凑。噪声也得到了有效的抑制。但轴向通风电机内外风路交互面积有限，散热主要依靠定子铁心与机座的热传导、定子通风道的对流作用，通过外表面的散热筋散热，其散热能力有限，对于容量较大的电机往往电磁方案中热负荷取的极低也达不到理想的温升效果。因此，轴向通风冷却方式主要应用于中小型电机、低压电机、高压紧凑型电机以及水夹套冷却的电机。（2）电机内部径向通风方式：径向通风方式的主要特点是定转子铁心设置有径向通风道，电机内部冷却空气沿的定、转子铁心径向通风道流动，且内风路多为对称结构。从图1-2可以看出，在电机内部冷却介质在转子和内风扇的驱动下，沿着图示箭头方向流动。冷却空气经内风扇增压后，一部分流经定子线圈冷却线圈端部后，经由机座和定子铁心之间的间隙进入冷却器进行热量交换；一部分通过转子轴向通风道或转子轴孔，分散进入转子径向通风道，经气隙、定子径向通风道，由定子铁心外圆面排出到达冷却器。冷却空气先后与转子铁心、转子导条、定子线圈、定子铁心进行热交换，对以上零部件进行冷却，冷空气变成热空气，将热量传递到冷却器与进行热交换；经过冷却器的冷却，变成冷空气后从冷却器到达内风扇，形成一次循环。采用径向通风冷却方式的电机通常会设置较多的径向通风道，国内厂家通风道通常是按1/5设置，即50mm铁心为一档，10mm为通风道宽度，其余40mm为铁心宽度。径向通风道的设置大大的增加了电机的散热面积，因此可以达到较好散热效果。缺点是径向通风道的增加，会导致铁心长度较长，增加了电机的轴向尺寸，进而增加了电机的体积。转子通风槽片的工艺难度较大，不仅需要保证铁心的压装质量，还要保证通风的流畅性，更要保证电机运行过程中通风槽片不会被甩出造成事故。另外，由于装配尺寸限制，冷却风扇的外径必须小于电机转子外径，因此也一定程度上限制了风扇的冷却能力。图1-2径向通风示意图（3）电机内部轴-径向混合通风方式：轴-径向混合通风方式的特点是：电机在一端设置一个较大的离心风扇，在离心风扇的驱动下，冷却空气不仅在定转子径向通风道中做径向流动，还沿着定转子气隙、定子铁心外表面，转子轴向通风孔做轴向运动。由于这种通风方式结合了轴向、径向两种方式，其通风冷却效果与其他两种通风方式相比更为显著。从图1-3可以看出，冷却介质在电动机内部沿图示箭头方向流动。在离心风扇的驱动和转子自身通风槽板的作用下，大部分冷却气体经过定子绕组后，进入电机转子轴向通风道，分散穿过转子径向通风道。少量气体沿气隙沿轴向流向离心风扇，其余气体继续穿过气隙和定子径向通风道，并从铁心的外圆面流出，并继续沿铁心外圆流动，冷却铁心外表面。采用轴-径向混合通风冷却的电机，其径向通风道设置型式与径向通风冷却的电机型式类似，通过增加径向通风道的数量，来增加电机的散热面积，通过离心风扇的驱动，对气隙、铁心外表面、轴向通风孔均起到了冷却作用，因此可以达到较好散热效果。缺点是因为离心风扇损耗较大，与径向通风电机相比，轴向温度分布不均匀。混合通风电机主要应用于6p或8p以上的大极数转速较低的电动机中。在2p、4p转速较高的电机中应用较少。图1-3轴-径混合通风示意图参考文献[1]丁树业，夏之慧，李海玲，等．径向通风电机流体流动及传热特性分析[J]．哈尔滨理工大学学报，2019，24(01)：34-40．[2]TRAXLER-SAMEKG，ZICKERMANNR，SCHWERYA．Coolingairflowlossesandtemperaturesinlargeair-cooledsynchronousmachines[J]．IEEETransactionsonIndustrialElectronics，2010，57(1)：172-180．[3]李红军，闫红．浅谈变频调速电机冷却方式的选择[J]．防爆电机，2009，44(02)：39-40．[4]周玲慧，石生磊．大中型空冷电机上风罩研究[J]．电机与控制应用，2015，42(09)：75-78．[5]顾雪政，刘磊磊，许海峰．三相感应电机高效空空冷却系统的设计[J]．防爆电机，2020，55(01)：15-17．[6]庄重，张国强．空空冷却高压异步电动机的降噪措施[J]．电机技术，2016(02)：29-31．[7]张学斌，赵丽莉，林彦平．水冷电机最低环境温度[J]．防爆电机，1999(01)：40-45．[8]姜海艳．浅谈大型防爆异步电动机防爆型式的选择[J]．机械管理开发，2009，(06)：25-30．[9]郑敏仙．大型交流电动机选型与应用研究[D]．上海交通大学，2016．[10]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，1998：42-252．[11]KIMC，LEEKS，YOOKSJ．Effectofair-gapfanson