大型異步電機通風散熱優化設計

李滔　廖力康　江鑫坤　秦登

摘 要：隨著電機制造技術的不斷發展，電機的結構越來越復雜，并且不斷向著大型化方向發展。由于電機的體型越來越大，電機內部單位體積的發熱量隨之增加，因此對電機通風散熱的要求不斷提高。大型異步電機對通風散熱的高要求決定了其在應用與設計過程中要對通風散熱進行優化設計。但是，從現有的異步電機優化設計來看，由于異步電機通風散熱的方式可以相互借鑒，因此一些小型企業在研發大型異步電動機的過程中并不注重對通風散熱進行優化設計，導致大型異步電動機在通風散熱方面存在不完善之處。這不僅制約著異步電動機工作效率的提升，也難以踐行綠色可持續發展的理念?；诖?，針對大型異步電動機的通風散熱優化設計進行分析和探討。

關鍵詞：大型異步電機;通風散熱;發熱量

中圖分類號：TM343 文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）15-0038-03

Abstract： With the continuous development of motor manufacturing technology， the structure of motor is more and more complex， and it is developing towards large-scale direction. The heating capacity per unit volume of large motor also increases， so the requirement for motor ventilation and heat dissipation is higher. The high requirements of large asynchronous motor for ventilation and heat dissipation determine that the ventilation and heat dissipation should be optimized in the application and design process of large asynchronous motor. However， from the current optimization design of asynchronous motor， because the ventilation and heat dissipation methods of asynchronous motor can be used for reference from each other， some small enterprises do not pay attention to the optimization design of ventilation and heat dissipation in the process of developing large asynchronous motor， which leads to the imperfection of ventilation and heat dissipation of large asynchronous motor， And it exists for a long time in the industry， which not only restricts the improvement of the efficiency of asynchronous motor， but also fails to implement the concept of green sustainable development.Based on this， this paper analyzes and discusses the ventilation and heat dissipation optimization design of large asynchronous motor.

Keywords： large asynchronous motor;ventilation and heat dissipation;calorific capacity

1 大型異步電機相關概述

1885年，意大利物理學家、電氣工程師費拉里斯發明了異步電機。經過100多年的發展，異步電機已經成為推動社會和國民經濟發展的重要工業設備。當前，社會的各個行業生產都已經離不開異步電機。異步電機主要是通過氣隙旋轉磁場與轉子繞組感應電流相互作用產生電磁轉矩，將機電能量轉換為機械能量的交流電機[1]。按照轉子結構的不同，異步電機可以分為鼠籠式異步電機和繞線式異步電機。由于異步電機生產量巨大且在各個行業和領域都有廣泛應用，因此異步電機的產品種類繁多，規格和各種配套機械十分完善，推動了社會生產力的發展。

2 大型異步電機通風散熱的基本問題

2.1 大型異步電機的通風方式分析

大多數異步電機主要以空氣作為冷卻介質構建冷卻系統，主要有自冷、扇冷、管道通風冷卻、自由循環式通風、封閉循環式通風以及熱管冷卻等多種方式。通常，扇冷主要分為自扇冷和他扇冷，其中自扇冷是最常見的通風方式。

在應用過程中，根據電機內部冷卻空氣的流通方向，大型異步電機的通風方式又可以分為徑向、軸向和徑向-軸向混合式3種[2]。

如果采用徑向通風冷卻的方式，通常通過裝在電機兩端的兩個風扇，在風力的作用下使外徑轉子和轉子外徑大致相同。冷空氣由電極兩端進入時，通過電機鐵芯中部風道，經由基座中部排除。這種對稱性系統能夠確保大型電機內部溫度的均勻性，因此在大型異步電機中應用較為廣泛。

如果采用軸向通風系統，則可以安裝直徑相對較大的風扇，且可以加大風壓和風量，也可以減少軸向長度，從而縮短電機加工時間，降低大型異步電機的設計與制造成本。但是，這種通風方式存在一定的缺陷，主要體現在沿軸向冷卻的過程中存在降溫冷卻不均勻的情況，不利于轉子上部件的鼓風作用。

采用徑向-軸向混合式通風，適用于8級以上的較低速電機。對于大型異步電機來說，異步電機的冷卻關鍵技術在于通風元件及其派生結構的設計。

2.2 異步電機內部熱量來源分析

從內在因素來看，異步電機的各種損耗是異步電機產生發熱現象的主要因素。因此，要想分析計算出異步電機內部通風散熱的實際情況，就要分析其發熱情況。通過計算得出各種損耗的數據以及這些內部熱量在異步電機的分布情況，才能更好地進行通風散熱優化[3]。

具體來說，異步電機損耗通?？梢苑譃橐韵聨讉€類別。①鐵損耗。鐵損耗主要分為基本損耗和附加損耗。異步電機通常只考慮定子鐵芯中的基本鐵損耗。②銅損耗。銅損耗主要是電機的定子銅損耗和轉子銅損耗。也有一些電機的轉子用鋁做成，這一部分熱量損耗是由于鋁損耗而來的，也稱之為鋁損耗。③雜散損耗。雜散損耗是指除了電機中的鐵損耗、銅損耗以及機械損耗之外的其他所有損耗，主要分布在電子鐵芯和轉子鐵芯等處。④機械損耗。機械損耗包含的部分較多，主要有軸承損耗和通風損耗。軸承損耗是電機頂端由于軸承摩擦而產生的熱量，并將帶來的損耗散布在電機軸承和端蓋兩個部分。通風損耗是在冷卻空氣的過程中電機內部由于運動而產生的摩擦帶來的損耗。

2.3 異步電機的穩定溫升

由于異步電機在運行過程中會因各種損耗而產生熱量，因此在電機啟動的初期階段會導致異步電機本身溫度升高，且溫度上升的速度較快。隨著異步電機溫度的不斷提高，異步電機和周圍介質之間的溫差會不斷加大，導致異步電機向外散出的熱量越來越多，致使能夠提高異步電機溫度的熱量減少。此時，異步電機溫度升高的速度逐漸減慢。異步電機在運行過程中會將產生的熱量傳遞給周圍的介質，最終達到一種穩定的狀態。此時，異步電機在每秒鐘產生的熱量等于每秒鐘向周圍介質散出的熱量，這一溫度被稱之為異步電機的穩定溫度。

要想有效解決異步電機的冷卻問題，提高異步電機的冷卻性能，應當分析異步電機的冷卻介質、冷卻方式和風路系統，確保選用合適的介質帶走異步電機中產生的各種熱量，以及采用這些介質在異步電機中使用的流通方式。

3 大型異步電機通風散熱優化分析

3.1 定子繞組端部綁扎

在進行大型異步電機通風設計與優化的過程中，定子繞組端部主要用玻璃絲進行捆綁操作，過程中沒有用到墊塊。采用這種簡單的綁扎方式，容易產生繞組端部包扎層數過多的問題，可能會導致端部之間的間隙幾乎不存在。針對大型異步電機定子繞組端部綁扎過程，為了確保線圈之間有足夠的縫隙實現通風散熱，德國西門子公司紐倫堡電器廠在綁扎過程中選擇加入墊塊。隨著電機級數的不斷增加，不同的電機規格可選擇的墊塊規格種類相對較多。在綁扎操作過程中加入墊塊，有效解決了這一部分通風散熱的問題[4]。

3.2 帶支架的轉子

大型異步電機設計與制造的過程中，軸上焊筋的轉子被稱之為帶支架的轉子。在進行大型異步電機通風散熱優化的過程中，對帶支架的轉子進行優化設計時，要考慮帶支架的轉子縱筋數目不能過多。當前，絕大多數大型異步電機生產廠家選擇6根縱筋的相對較多。如果筋的設計數量過多，不僅會浪費生產和設計的工時，也會浪費大量的焊材和鋼板，還會出現各種問題。當筋與軸焊接時，如果焊接處的結構發生變化，那么會導致軸的物理性能下降。如果筋的數目增加到8個左右，那么金相結構遭到破壞的區域有可能形成一周，此時有可能發生軸斷裂的情況。如果筋的數量過多，則不利于通風。因此，要想有效提高大型異步電機的通風效果，需要合理設計縱筋的數目，并根據異步電機的工作需要，在材料、分布以及厚度等各個方面進行優化設計。

3.3 內外風扇以及軸承部位的冷卻

大型異步電機拖動的負荷通常是一個方向旋轉，因此進行散熱優化設計時，越來越多的廠家傾向于生產可以正反旋轉的電機，以便利用雙向旋轉的風扇實現通風散熱。但是，由于雙向旋轉的風扇能量損耗較大且噪聲大，因此在進行異步電機通風散熱優化的過程中，要著重考慮這種旋轉風扇使用的合理性。內外風扇以及軸承部位的結構，如圖1所示。在節能環保和可持續發展理念下，通過設計者與客戶之間的協調，完成最終的設計。在設計與制造過程中，要盡量選擇后傾式內外風扇。作為電機通風系統的核心部件，它只有產生足夠的風壓，才能確保氣體能夠順利通過電機部件帶走多余的熱量。采用后傾式風扇要考慮到大型異步電機的實際應用需求，同時要考慮到具體的應用情況，確保其應用的合理性。

3.4 實現內外風路的最佳搭配

對大型異步電機的內外風路進行優化，是實現異步電機通風散熱的重要路徑。在針對風路進行優化的過程中，考慮到異步電機的工作特點采取相應的方式，才能取得良好的效果。為了更好地實現風路的最佳搭配，要對電機內部流體場和溫升的實際情況進行計算，找出大型異步電機溫升的最高值位置進行實驗驗證，以作為外風路分析的初始條件，還要綜合考慮影響大型異步電機溫升的環境因素[5]。最后，分析電機風扇外特性，對比多個方案的效率，提出最終的優化方案。例如，可以在冷卻器外部路口增設一些導風板，也可以在冷卻器管束外側添加散熱翅片，以實現內外風路的最佳搭配。

4 結語

大型異步電機的設計與生產是一項較為系統且復雜的工程，在設計的過程中不僅要考慮到使用的性能和使用的實際需要，還要優化大型異步電機的通風散熱效率，才能使大型異步電機維持穩定的運行性能，確保使用的穩定性。大型異步電機通風散熱的方法相對較多，隨著技術的不斷成熟，可根據大型異步電機的實際需要，科學合理地選擇相應的優化方案。在制定優化方案的過程中，要充分考慮大型異步電機的熱量來源，以針對產生熱量的各個部位進行深入分析。在明確熱量來源的基礎上，根據大型異步電機的各個部位，選擇相應的優化方案和優化措施，以不斷提高大型異步電機通風散熱優化的效果。

參考文獻：

[1]孫德強，吳楠.機車大功率直驅永磁牽引電機新型通風散熱結構設計[J].鐵道機車與動車，2019（10）：8-11.

[2]付余.一種新型機車牽引電機通風散熱分析及風路優化[J].裝備制造技術，2017（3）：97-99.

[3]李宗樹，楊萬青.大中型異步電機的通風散熱[J].防爆電機，2017（6）：51-53.

[4]劉慶，王超，田德見.大中型高效電機后傾式離心風扇的優化設計[J].電氣控制與應用，2020（47）：87-92.

[5]李宗樹，楊萬青.中小型異步電機的通風散熱[J].防爆電機，2018（1）：40-42.