金 晶, 王鴻鵠, 姚丙雷

(上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司,上海 200063)

YE3系列(IP23)三相異步電動機通風結(jié)構(gòu)的研究與仿真分析*

金 晶, 王鴻鵠, 姚丙雷

(上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心有限公司,上海 200063)

介紹了YE3系列(IP23)三相異步電動機的通風結(jié)構(gòu)設(shè)計。通過市場調(diào)研，樣機試制驗證，并采用Solidworks三維建模和Ansoft軟件對不同通風情況進行模擬分析,最終確定了產(chǎn)品的通風結(jié)構(gòu)。

三相異步電動機； 通風結(jié)構(gòu)； 仿真分析； 試驗

0 引 言

通風結(jié)構(gòu)的不同會直接影響到電動機的運行性能[1]。在YE3系列(IP23)電動機的研制中[2]，有針對性地設(shè)計合適的通風結(jié)構(gòu)，可以有效利用其自身較好的散熱性能，在滿足高效率的同時，適當提高熱負荷的設(shè)計值，不僅能使電動機的溫升處在合理可控的范圍內(nèi)，而且能節(jié)省電動機的制造成本，從而取得“降本增效”的效果。本文對不同的通風結(jié)構(gòu)進行了解、分析和試驗驗證，采用Solidworks三維建模和Ansoft軟件對不同通風情況進行模擬分析，還制造了樣機進行驗證，最終確定了該系列產(chǎn)品的通風結(jié)構(gòu)。

1 不同通風結(jié)構(gòu)的介紹

通過走訪大量生產(chǎn)IP23電動機的制造企業(yè)，經(jīng)了解其電動機通風結(jié)構(gòu)大致可分為以下3種：

(1) 電動機的整體外形結(jié)構(gòu)與封閉式電機結(jié)構(gòu)非常相似。主要采用軸向通風方式，將后端蓋鏤空，電動機旋轉(zhuǎn)以后，軸上自帶的獨立風扇，將冷卻空氣由后端蓋抽入電動機內(nèi)部，冷卻空氣通過機座與鐵心的間隙、定轉(zhuǎn)子間的氣隙和轉(zhuǎn)子通風道，最后經(jīng)過熱交換后從電動機的前端蓋排出。電動機的整個機座是封閉的，純粹靠獨立風扇進行軸向通風。其缺點是一旦設(shè)計的鐵心較長，電動機的散熱會不均勻。另外，由于采用了獨立風扇，電動機的機械損耗也會增大。

(2) 電動機的整體外形結(jié)構(gòu)完全與Y系列(IP23)三相異步電動機設(shè)計相同。電動機旋轉(zhuǎn)以后，由轉(zhuǎn)子兩端鑄鋁風葉(或者由兩邊獨立安裝的離心式風扇)產(chǎn)生風壓，將冷卻空氣由左右兩邊的端蓋端面抽入電動機內(nèi)部，電動機的端蓋內(nèi)側(cè)裝有擋風板，起到導(dǎo)流的作用，使一部分冷卻空氣通過定子繞組端部進入，從機座出風，另一部分冷卻空氣通過轉(zhuǎn)子通風孔進行冷熱空氣的交換，冷卻轉(zhuǎn)子，經(jīng)過轉(zhuǎn)子的徑向通風槽，由機座側(cè)面的出風口逸出。

(3) 電動機的端蓋不參與通風，冷卻空氣只通過機座完成進風和出風。在電動機機座的兩端分別有進、出風口，通過安裝風機通風，冷卻空氣從靠近風機端的機座通風孔進入，迫使冷卻空氣從機座的另一端通風孔出風；或是采用較大的離心式風扇，冷卻空氣從遠離風扇端的機座通風孔被抽入，從靠近風扇端的機座通風孔出風，從而對電機繞組進行熱交換。

2 通風結(jié)構(gòu)的試驗驗證

結(jié)合產(chǎn)品，對現(xiàn)有的YE2(ODP)-200L-4 45 kW、400 V/50 Hz電動機的通風結(jié)構(gòu)進行適當改動，做了三種不同通風結(jié)構(gòu)的試驗驗證。

1號樣機采用軸向通風，冷卻空氣從電動機后部風罩進入，通過機座的軸向通風道、定轉(zhuǎn)子間的氣隙等來進行熱交換，最后從電動機的前端蓋排出。該通風結(jié)構(gòu)與封閉式電機的相類似。2號樣機的通風結(jié)構(gòu)是將1號樣機的前、后端蓋的風口堵住，在鋼板機座前后兩側(cè)各開2個進風口，在機座中間兩側(cè)各開1個出風口。3號樣機采用前、后端蓋端面進風，經(jīng)由機座中間出風口排出的通風結(jié)構(gòu)。由于2號樣機在溫升試驗時溫度過高，未能繼續(xù)試驗。現(xiàn)將1號和3號樣機的試驗數(shù)據(jù)匯總，如表1所示。

表1 不同通風結(jié)構(gòu)的負載測試數(shù)據(jù)匯總

圖1 3號樣機現(xiàn)場試驗

從表1可知，1號樣機是帶獨立外風扇的通風結(jié)構(gòu)；3號是在1號電機基礎(chǔ)上，取消了獨立外風扇，采用前、后端蓋端面進風，經(jīng)由機座中間出風口的通風結(jié)構(gòu)，如圖1所示。從試驗結(jié)果看，1號樣機與3號樣機相比較，繞組的散熱效果略好，但軸承溫度較高。分析認為產(chǎn)生這種試驗結(jié)果的原因是由于3號樣機前、后端蓋的開孔過大，使冷卻空氣始終在兩側(cè)軸承附近循環(huán)進出，并沒有進入繞組鐵心內(nèi)部進行熱交換，因此只是大大降低了軸承溫度，而沒有實質(zhì)性地降低繞組溫度。

通過試驗驗證分析，采用兩側(cè)端蓋進風的通風結(jié)構(gòu)只要設(shè)計的進、出風面積合理，并且電動機內(nèi)部的通風結(jié)構(gòu)能達到很好的熱交換，對于電動機繞組溫升及軸承溫度都非常有利，而且如果電動機的功率增大，隨著電動機的鐵心變長，電動機是兩側(cè)對稱出風，對電動機溫升的影響肯定比帶獨立風扇的小。為了更好地分析兩側(cè)端蓋進風、機座中間出風的通風結(jié)構(gòu)，建立了三維模型并利用Ansoft軟件進行仿真分析。

3 通風結(jié)構(gòu)的仿真分析

采用Solidworks軟件建立三維模型，如圖2所示。

圖2 YE3系列(IP23)電動機模型

電動機端蓋上開4個窗口，其中兩個進風口在端蓋下半部偏上(見圖2中的1和2進風口上)，另兩個進風口在端蓋下底部(見圖2中的3和4進風口下)；在前、后端蓋內(nèi)側(cè)安裝具有導(dǎo)流作用的擋風板；在電動機機座的中下部開左右對稱的出風口(圖2中顯示的為右出風口1～4)；在機座內(nèi)部分布有軸向筋,既起到支撐固定鐵心的作用，又形成了導(dǎo)風通道便于機座內(nèi)部空氣的熱交換。

采用Ansoft軟件, 對不同通風情況進行模擬分析。由于電動機沿軸向基本對稱，所以可以取電動機軸向的一半作為模型來進行流體場的計算和分析。利用三維模型建立的空氣包如圖3所示，流體場如圖4所示。

圖3 半個電動機的空氣包模型

圖4 空氣包的流體場分布

圖4是同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時的流體場分布。從圖4可知，除了轉(zhuǎn)子中心位置處由高轉(zhuǎn)速形成的流速比較快以外，其余機座端蓋處的空氣分布還是很均勻的，流速也大致在一個相對比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，機座左、右兩側(cè)出風口的出風量也幾乎相等。

當同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min和1 500 r/min時，電動機有、無擋風板的流體場情況，如圖5、圖6所示。

圖5 同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時有、無擋風板的流體場

圖6 同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時有、無擋風板的流體場

從圖5可知，通過出風量的對比，發(fā)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時，有擋風板的電動機出風量約為無擋風板的3.3倍；從圖6可知，同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，有擋風板的電動機出風量無擋風板的1.8倍。

從圖6可知，當同步轉(zhuǎn)速為1 500 r/min時，有擋風板的轉(zhuǎn)子風葉處的空氣有明顯整體流動的軌跡，而無擋風板的轉(zhuǎn)子風葉處的空氣流速呈現(xiàn)出不均勻、無方向感。

從圖5、圖6可知，電動機在有、無擋風板的情況下空氣的流速都差不多，但有擋風板時的轉(zhuǎn)子風葉及定子繞組處的空氣流速分布更均勻。

分析可知，有、無擋風板對電動機內(nèi)部空氣流動的均勻分布以及電動機的出風量都會有很大的影響。關(guān)于隨著轉(zhuǎn)速的下降擋風板對電動機出風量的影響是否也會逐漸減小，在此未作驗證。

圖7 同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時有、無擋風板的風速矢量圖

圖7是同步轉(zhuǎn)速為3 000 r/min時有、無擋風板的風速矢量。從圖7可知，在有擋風板的情況下，空氣在擋風板的引導(dǎo)下流經(jīng)轉(zhuǎn)子風葉處，隨后被轉(zhuǎn)子風葉均勻地扇出，沿著繞組端部流動，最后沿著軸向通道從機座中間出風；在無擋風板的情況下，空氣流經(jīng)轉(zhuǎn)子風葉處沒有很明顯的流動軌跡，轉(zhuǎn)子風葉扇出的風不均勻、無方向流動，有一部分空氣停留在端蓋處，而不參與對定子繞組端部的熱交換。

通過Ansoft軟件分析，得出采用兩側(cè)端蓋進風、機座中間出風的通風結(jié)構(gòu)，其機座、端蓋處的空氣分布較均勻，空氣流速較穩(wěn)定，并且在端蓋內(nèi)部采用具有導(dǎo)流作用的擋風板，能使流入的空氣有整體流動的軌跡，能更好地參與電動機內(nèi)部的熱交換。

4 樣機驗證

通過多方溝通協(xié)作，利用部分現(xiàn)有的鑄件模具，試制了一臺200 kW、2極、IE3效率的樣機來驗證新設(shè)計的通風結(jié)構(gòu)。樣機結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 200 kW 2極樣機

需要說明，該機座的鐵心檔內(nèi)徑為φ520 mm，相當于封閉式H315機座號的內(nèi)徑，但該機座的中心高為280 mm，比封閉式H315機座號小一個機座號，因此該電動機采用的軸承為6314，而封閉式H315機座號采用的軸承為6317。樣機的試驗數(shù)據(jù)及設(shè)計數(shù)據(jù)比較分別如表2、表3所示。

從表2可知，樣機的空載電流、機械損耗和鐵耗都比設(shè)計值高，尤其是鐵耗比設(shè)計值高出近1 000 W，根據(jù)以往的經(jīng)驗，這種情況是比較少見的。根據(jù)計算由于鐵耗增加而損失的電動機效率在0.48%以上。

表2 樣機的空載試驗與設(shè)計數(shù)據(jù)對比

表3 樣機的負載試驗與設(shè)計數(shù)據(jù)對比

從表3可知，樣機的額定電流、定子銅耗、轉(zhuǎn)子鋁耗和鐵耗都比設(shè)計值高，尤其是雜散損耗比設(shè)計值高出850 W。由于電動機的鐵耗和雜散損耗太大，直接導(dǎo)致電動機的效率比設(shè)計值低了0.93%，吃容差6.19%合格。分析認為鐵耗的增加與該電動機采用的硅鋼片材質(zhì)有關(guān)，根據(jù)測試數(shù)據(jù)的鐵耗估算出樣機的硅鋼片鐵損P15/50約為5.0 W/kg，遠大于設(shè)計時采用的硅鋼片鐵損P15/50≤3.57 W/kg。若忽略鐵耗增加的損失，電動機的實際效率為95.98%以上，應(yīng)該能超出IE3-95.8%的標準效率要求，電動機的雜散損耗情況較復(fù)雜，在此不作討論。

從表3可知，樣機的溫升為30 K，究其原因主要是本次樣機的鑄鋁轉(zhuǎn)子的風葉采用現(xiàn)有模具比設(shè)計值增長了14 mm，從而使單片風葉的面積增加600 mm2，風葉越大電動機內(nèi)部的空氣流動越快，熱交換就越好，但由此同樣會造成電動機機械損耗的提高，因此如何控制損耗與溫升的關(guān)系非常重要。

本次樣機的驗證，雖在電氣性能上略有不足，但基本達到了驗證通風結(jié)構(gòu)的目的，證明該通風結(jié)構(gòu)確實能為降低電動機溫升和軸承溫度起到良好的作用；同時通過測試數(shù)據(jù)還發(fā)現(xiàn)電動機的鐵心溫度是53.6 ℃，機殼溫度是53.3 ℃，說明機座的內(nèi)部風路結(jié)構(gòu)設(shè)計也比較合理，通過熱傳遞能更快速地降低鐵心的溫度；另外，電動機端蓋的進風溫度是34.9 ℃，機座的出風溫度是41.0 ℃，也說明電動機內(nèi)部的熱交換很有效。

5 結(jié) 語

本文對IP23防護結(jié)構(gòu)的電動機通風結(jié)構(gòu)進行了解、分析和試驗驗證，采用Solidworks三維建模和Ansoft軟件對不同通風情況進行模擬分析，還通過樣機進行試驗驗證，最終確定了系列產(chǎn)品的通風結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

圖9 電動機的通風結(jié)構(gòu)示意圖

電機運行時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)運動，轉(zhuǎn)子兩端的風葉會產(chǎn)生一定的風壓，冷卻空氣經(jīng)由前、后端蓋底部進風口被吸入電機內(nèi)腔中，并通過端蓋內(nèi)側(cè)安裝的擋風板進行引流、導(dǎo)風，冷卻空氣流經(jīng)繞組后進入機座的軸向通風道，匯集后由機座中間的出風口將產(chǎn)生的熱量帶出電機內(nèi)腔。

[1] 陳世坤.電機設(shè)計[M].北京: 機械工業(yè)出版社，2000.[2] 金晶,李光耀,湯惠明.YE2系列(IP23)三相異步電動機的開發(fā)[J].電機與控制應(yīng)用,2017,44(2): 78-82.

Research and Simulation Analysis on Ventilation Structure of YE3 Series (IP23) Three-Phase Asynchronous Motor*

JINJing,WANGHonghu,YAOBinglei

(Shanghai Engineering Research Center Of Motor System Energy Saving Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The design of YE3 series (IP23) three phase asynchronous motor′s ventilation structure was introduced.The different ventilation conditions was simulated and analyzed by the market research, the test of the sample and using Solidworks and Ansoft software.And then the ventilation structure of products was determined.

three-phase asynchronous motor; ventilation structure; simulation analysis; test

上海電機系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心能力提升項目(14DZ2280800)

金 晶(1983—)，女，工程師，研究方向為高效節(jié)能三相異步電動機系列產(chǎn)品的開發(fā)。 王鴻鵠(1981—)，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向為永磁同步電機、異步電機的設(shè)計及仿真計算。

TM 343

A

1673-6540(2017)03- 0054- 05

2016 -12 -12