緊湊型高壓異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

董立云

摘 要：為追求小體積等結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，緊湊型高壓異步電動(dòng)機(jī)溫升問題一直存在。文章以某國產(chǎn)6kV緊湊型高壓高效三相異步電動(dòng)機(jī)Y2-6305-12電機(jī)為例，對(duì)轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)孔優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。文章嘗試在不改變Y2-6305-12其他參數(shù)條件下，僅通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)孔，達(dá)到改善該型號(hào)電機(jī)整體冷卻能力、實(shí)現(xiàn)電機(jī)溫升控制的目標(biāo)。最終結(jié)果表明，在一定條件下通過增大轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔內(nèi)部與空氣對(duì)流的接觸面積，能夠達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)目的。

關(guān)鍵詞：緊湊型高壓異步電動(dòng)機(jī);Y2-6305-12;轉(zhuǎn)子;控溫優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TU411.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）08-0140-03

Optimization Design of Rotor Axial Vent of Compact High Voltage asynchronous Motor

Dong Liyun

（Xi an Medical College， Xi an 710016， China）

Abstract：In order to pursue the structural advantages of small size， the temperature rise problem of compact high-voltage asynchronous motor has always existed. In this paper， the optimal design of rotor axial vent is studied by taking a domestic 6kV compact high voltage and high efficiency three-phase asynchronous motor Y2-6305-12 as an example. This paper attempts to improve the overall cooling capacity of this type of motor and achieve the goal of temperature rise control of the motor only by optimizing rotor axial ventilation holes without changing other parameters of Y2-6305-12. The final results show that the optimal design can be achieved by increasing the contact area between rotor vents and air convection under certain conditions.

Key words：compact high-voltage asynchronous motor; Y2-6305-12; rotor; optimization of temperature control

0 引言

緊湊型高壓異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛性好，是當(dāng)前電機(jī)市場(chǎng)主流產(chǎn)品。然而，隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這種結(jié)構(gòu)緊湊、體積小的電機(jī)卻一直受限于自身結(jié)構(gòu)特征而無法實(shí)現(xiàn)有效的溫升控制。緊湊型高壓異步電動(dòng)機(jī)溫升控制方法、技術(shù)等，也始終是電機(jī)研發(fā)領(lǐng)域重點(diǎn)攻關(guān)方向之一[1]。出于通風(fēng)散熱需求，緊湊型高壓異步電動(dòng)機(jī)在實(shí)際作業(yè)過程中，均需要在電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向開設(shè)通風(fēng)孔，為實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)整體冷卻能力提升，通風(fēng)孔的形狀、排列規(guī)律、數(shù)量、直徑等均會(huì)對(duì)電機(jī)軸向通風(fēng)效果產(chǎn)生影響。本文以某國產(chǎn)6kV緊湊型高壓異步電動(dòng)機(jī)為例，對(duì)該電機(jī)軸向通風(fēng)孔進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在不改變?cè)撾姍C(jī)其他參數(shù)條件下，獲得電動(dòng)機(jī)溫升控制能力的提升，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)較高的材料利用率，提升作業(yè)可靠性。

1 Y2緊湊型高壓異步電動(dòng)機(jī)

Y2-6305-12緊湊型高壓異步電動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱Y2）為西安電機(jī)廠Y2系列6kV高壓三相異步電機(jī)。Y2定額頻率為50Hz，額定電壓為6kV，防護(hù)等級(jí)為IP54，冷卻方式為IC411，具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、高效、節(jié)能、噪音低、振動(dòng)小，重量輕、性能可靠、安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)。這為本文的轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)孔優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。Y2一般性能指標(biāo)如表1所示。功率3kW以下接法為Y接法;其他功率均為△接法。

2 軸向通風(fēng)孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 Y2-6305-12電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

Y2系列電機(jī)機(jī)座外輪廓呈四方形兼圓形，散熱片呈垂直，水平平行分布，全部采用鑄鐵結(jié)構(gòu)，內(nèi)部風(fēng)路流動(dòng)方向如圖1所示。該電動(dòng)機(jī)裝有一全封閉自冷風(fēng)扇，其直徑大于轉(zhuǎn)子外徑很多，因而需要采用軸向通風(fēng)獲得較高的通風(fēng)效能[2-4]。系統(tǒng)作業(yè)時(shí)，熱量主要借助通風(fēng)孔在離心內(nèi)風(fēng)扇的作用下流至底機(jī)座由機(jī)座外散熱片帶走，其余小部分熱量通過機(jī)座表面散熱片由外風(fēng)帶走。然而，由于受軸向通風(fēng)原理影響，該通風(fēng)模塊在用于軸向長(zhǎng)度很大的電機(jī)中繞組結(jié)構(gòu)時(shí)，容易導(dǎo)致繞組部分局部溫度較高等問題，影響電機(jī)長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，此時(shí)必須對(duì)通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以適應(yīng)不同場(chǎng)景對(duì)電動(dòng)機(jī)的需求。

2.2 通風(fēng)孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)Y2系列電機(jī)結(jié)構(gòu)與電機(jī)內(nèi)部風(fēng)路流動(dòng)方向分析，本文在假設(shè)電機(jī)基本結(jié)構(gòu)不發(fā)生重大變化，其他參數(shù)基本保持不變條件下，通過優(yōu)化通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子冷卻能力提升。按照李學(xué)武等（2020）[5]中有關(guān)通風(fēng)孔對(duì)轉(zhuǎn)子散熱影響的分析，通風(fēng)孔對(duì)轉(zhuǎn)子散熱能力影響主要體現(xiàn)在通風(fēng)孔內(nèi)表面與空氣對(duì)流接觸面積。因此，本文以3臺(tái)Y2-6305-12電機(jī)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過不同的軸向通風(fēng)孔設(shè)計(jì)變化獲得最佳設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)3種方案關(guān)于緊湊型高壓異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)孔設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

其中方案Ⅰ與方案Ⅱ保持截面總面積相同，但孔數(shù)存在差異;方案Ⅱ與方案Ⅲ保持孔數(shù)相同但截面總面積存在差異;方案Ⅱ與方案Ⅲ則孔數(shù)、截面總面積之間均存在較大差異;其他指標(biāo)所代表含義如圖2所示。

按照式（1）、（2）對(duì)圖2結(jié)構(gòu)不同方案界面總面積、接觸面積進(jìn)行計(jì)算，得到表3所示3種方案，截面總面積與接觸面積對(duì)比情況。

截面總面積=通風(fēng)孔數(shù)量×單個(gè)通風(fēng)孔截面面積

接觸面積=通風(fēng)孔數(shù)量×單個(gè)通風(fēng)孔界面周長(zhǎng)

×鐵芯長(zhǎng)

方案Ⅰ、Ⅱ通風(fēng)孔截面總面積差距比例0.7，可視為相同，此時(shí)方案Ⅱ的通風(fēng)孔內(nèi)表面總面積（接觸面積）較方案Ⅰ大約35.6%;方案Ⅰ、Ⅲ通孔數(shù)量、截面總面積均不同，方案Ⅲ最終得到的通風(fēng)孔內(nèi)表面總面積較方案Ⅰ大約54.9%;方案Ⅱ、Ⅲ通風(fēng)孔數(shù)量相同，但方案Ⅲ最終得到的的通風(fēng)孔內(nèi)表面總面積較方案Ⅱ大約14.3%。盡管通風(fēng)孔內(nèi)表面總面積最大的為方案Ⅲ，但由于方案Ⅲ在增大通風(fēng)孔截面總面積的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致孔內(nèi)風(fēng)壓降低，因此尚不能確定方案Ⅲ為最佳優(yōu)化方案。

3 不同方案對(duì)電機(jī)性能總體影響分析

3.1 對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)的影響

利用ANSYS Maxwell軟件構(gòu)建3種不同方案二維瞬態(tài)場(chǎng)模型。按照電機(jī)工作時(shí)間為1s秒條件對(duì)3種方案中通風(fēng)孔對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)的影響進(jìn)行分析，構(gòu)建圖3所示的電機(jī)代表性位置磁密試驗(yàn)方案。

通過對(duì)圖3所示各指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，得到表4所示3種不容方案下統(tǒng)一型號(hào)電機(jī)各位置磁密最大值。

由實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知，方案Ⅰ、Ⅱ定子軛部、定子齒部、氣隙、轉(zhuǎn)子齒部四項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)值幾乎完全一致;方案Ⅲ相同指標(biāo)值中定子軛部、定子齒部磁密較方案Ⅰ、Ⅱ略高，氣隙、轉(zhuǎn)子齒部磁密較方案Ⅰ、Ⅱ略低，但相差不大，幾乎可以忽略。根據(jù)電機(jī)鐵芯損耗的計(jì)算方式可知，電機(jī)鐵心損耗與電機(jī)工作頻率的1.3次方、磁通密度平方、鐵心重量之間的關(guān)系為正相關(guān)[6-8]。由于3個(gè)方案在該4項(xiàng)指標(biāo)中數(shù)值相差不大，因而3個(gè)方案在電機(jī)鐵芯損耗方面并沒有明顯差異。

3方案中通風(fēng)孔對(duì)氣隙磁密的影響需要充分考量基波、高次諧波等數(shù)據(jù)變化情況以及最大值情況，但表3中數(shù)據(jù)無法體現(xiàn)，需要重新進(jìn)行傅里葉分解。

3方案在轉(zhuǎn)子軛部磁密方面表現(xiàn)出了較大差異性，因此需要針對(duì)該指標(biāo)三項(xiàng)分指標(biāo)對(duì)電機(jī)額定電流和功率因數(shù)的影響進(jìn)行著重分析。

3.2 對(duì)電機(jī)氣隙磁場(chǎng)的影響

假設(shè)3種試驗(yàn)方案中試驗(yàn)用電動(dòng)機(jī)為額定穩(wěn)態(tài)，在電機(jī)工作時(shí)間相同的條件下，對(duì)一個(gè)周期內(nèi)3種不同方案電機(jī)氣隙磁場(chǎng)進(jìn)行傅里葉分解，結(jié)果表明，方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ氣隙基波與高次諧波變化情況、極值情況、幅值情況幾乎完全相同，而方案Ⅲ在高次諧波變化方面則較為明顯，轉(zhuǎn)子雜耗較方案Ⅰ、Ⅱ更高。

3.3 對(duì)功率因數(shù)的影響

為充分驗(yàn)證通風(fēng)孔對(duì)緊湊型高壓異步電動(dòng)機(jī)散熱控制等的影響，本文假設(shè)同時(shí)忽略3種方案中的定子阻抗，以獲得理想狀態(tài)下的近似等效電路。此時(shí)，對(duì)3種方案的功率因數(shù)角ψ進(jìn)行計(jì)算，獲得感應(yīng)電機(jī)通風(fēng)孔對(duì)功率因數(shù)的影響情況。ψ的計(jì)算方法如式（3）[9]：

其中，T為電動(dòng)機(jī)工作周期（電機(jī)額定頻率的倒數(shù)），通過該電機(jī)額定頻率50Hz可出該電機(jī)轉(zhuǎn)子工作周期為0.02s;?T為電機(jī)作業(yè)過程中定子電流I起始時(shí)刻與感應(yīng)電壓U起始時(shí)刻之間的時(shí)間差，計(jì)算方法為：

最終得到3種方案ψ值分別為ψⅠ=0.93，ψⅡ=0.93，ψⅢ=0.92;?TⅠ=77K，?TⅡ=69K，?TⅢ=64K。3種方案中，方案Ⅲ的功率因數(shù)值最低。因此，該方案的定子電流值為3種方案中最高，定子銅耗也較大。在通風(fēng)孔截面總面積值為一變化值，通風(fēng)孔數(shù)量固定時(shí)，方案Ⅲ因電機(jī)功率因數(shù)值降低而帶來的負(fù)面效應(yīng)較高。

4 結(jié)語

綜上所述，對(duì)于Y2-6305-12緊湊型高壓異步電動(dòng)機(jī)而言，在其他額定頻率等因素不變條件下，通過改變通風(fēng)孔結(jié)構(gòu)、通風(fēng)孔數(shù)量等均能夠顯著影響電動(dòng)機(jī)內(nèi)部通風(fēng)效能，3種方案最終的實(shí)測(cè)溫升結(jié)果表明，方案Ⅲ盡管能夠獲得最低的溫升效果，但由于增加了額外的銅耗和轉(zhuǎn)子雜耗，廠家或產(chǎn)品研發(fā)部門需要根據(jù)自身產(chǎn)品定位、定價(jià)等進(jìn)行實(shí)際選擇。

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