12 电机强迫通风冷却器的研究

图6
轴流风扇
图7
后倾式离心风扇
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5 设计实例
5.1 电机设计数据
电机型号：YPT630-6 1400kW 10kV IP54； Pcu1=17.8kW，Pcu2=7.2kW，Pfe= 13kW， Ps=7.3kW； j1=4.14A/mm2 ， jb=3.41A/mm2 ， jr=2.99A/mm2； AJ=2418A/cm²A/mm2； η=95.8%，cosφ=0.85； 按吃容差+10%计算总损耗为72kW，热损耗 按70%计算约为50kW；
根据电机内风路的布置，一般有径 ~ 轴混合 通风和轴向通风两种情况，相应强风冷却器也需 采用单风路或双风路结构。 单风路结构（图 4 ）即是电机本体内部的热 空气从一端出来，进入到冷却器中，通过热交换 器形成冷空气，再由风机抽出，补充到电机本体 内部，形成内风路循环；外风路是周围环境的冷 空气通过热交换器的风管内部，吸收热量形成热 空气后，由风机抽出。 双风路结构（图 5 ）即是电机本体内部的热 空气从中部铁心位置出来，进入到冷却器中，分 为两路通过热交换器形成冷空气，再由两端风机 抽出，补充到电机本体内部，形成内风路循环； 外风路与单风路结构相同。
7 结束语
随着当今社会现代化程度的提高，各行业的 变频调速电机和大功率、高效率电机的需求不断 增加，电机采用强迫通风冷却器是行业发展的一 个方向，我们唯有把冷却器设计制造的核心技术 掌握在手中，才能保证电机性能的可靠，才能向 各行业用户提供优质的产品。
出功率为额定功率的65~70%； 电机各参数合格，温升指标满足电机技术条 件中的不高于80K标准要求。
6 设计分析总结
在实际生产中，我们首先进行了 YPT630-6 1400kW 10kV IP54 变频调速异步电动机强迫通 风冷却器的试制，电机内风路采用双风路设计， 铁心温度分布较为均匀，内风路较短，压力损失 稍小。电机型式试验后，温升为 65K，整体噪声 小于普通自扇冷电机，达到设计要求。随后又进 行了各机座号多台不同风路结构的电机强迫通 风冷却器的设计制造， 电机温升均在55~65K范围 内。该结果证明了本强迫通风冷却器的设计可以 满足电机通风散热的需求。
图3
正三角形排列方式
图 4 轴向通风的单风路结构
图 5 径~轴混合通风的双风路结构
4 冷却器内、外风机的选择和设计
4.1 对于风机设计的基本要求是：
（1 ）满足所需流量和压力的工况点应在最 高效率点附近； （2）最高效率要高，效率曲线平坦；
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（3）压力曲线的稳定工作区间要宽； （4）结构简单，工艺性能好； （5）足够的强度，刚度，工作安全可靠； （6）噪音低； （7）尺寸尽量小，重量经； （8）维护方便。
电机效率较低，而采用强迫通风冷却方式可以降 低风摩耗，提高电机效率。
2 冷却器中热交换器的设计
传热过程总的表现是热量从热流体穿过固 体壁面传递给冷流体（图1） ，在单位时间内所能 交换的热量称为传热速率，以 Q表示。进行热量 传递的壁面称为传热面以 F表示。两股流体间所 以能有热交换，是因为两流体间有温度差△t，此 温度差就是热量传递的推动力。两股流体单位时 间所交换的热量 Q与传热面积F及温度差△t成正 比[1]，即： Q KFt 热交换器设计主要应包括：计算需要传递的 热负荷Q；计算冷、热流体的平均温度差△t；计 算热交换器的传热系数K；计算换热面积F，确定 结构尺寸；计算热交换器的流阻损失。
t1'' ——热流体出口温度
' ——冷流体进口温度 t2
'' ——冷流体出口温度 t2
t'
1
' 2 ( 不混合 )
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t
t"
2
2.4 计算换热面积 F，确定布管结构
混合 t "(
1
)
图2
热流体横向混合、冷流体不混合 的交叉流动换热
Q ，即可计算出所需要的换热面 Kt 积F。根据电机整体的尺寸和风路结构，选用合
局 ——局部阻力系数
L——风管长 ρ——空气密度 按以上参数即可进行轴流通风机的设计和 选取，为简化设计和制造，轴流风扇叶片截面选 定为圆弧板翼型，叶片角度采用等环流设计，即 气流通过叶片时获得的全压沿叶片高度保持不 变，效率较高，叶片数为4片（图6） ，具体设计 [4] 计算见文献 ，风扇叶片由薄钢板弯制而成，整 体焊接成型，具有很好的强度且重量较轻。
根据 F
温差修正系数[2]为：
适直径和壁厚的冷却管，选择合理的排列方式和 布管形状。 由于电机防护等级高，内部空气一般都比较 清洁不需清洗，因此采用等三角形排列方式（图
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3） ，其管距相等，空间利用率高，冷却器的体积 更小。
3 冷却器风路结构的布置
t1' ——热流体进口温度
1 P ln( ) 1 RP ln(1 RP ) (1 R) ln[1 ] R t ' t1'' R——热容比， 1 '' ' t2 t2
P——热效率，
'' ' t2 t2 ' t1' t 2
2.3 传热系数 K 的计算
传热系数K对热量传递具有重要影响，是评 价换热器性能的一个重要指标，传热系数K值[1] 计算如下： 1 K 1 1 1 2 式中， 1 ， 2 ——热、冷流体给热系数
电机强迫通风冷却器的研究
4.2 外风机的选择和设计
强迫通风冷却器的外风路即是电机外部的 冷空气通过直管内部，与管壁进行热交换，形成 热空气，再经由风机抽出到外界环境。风路的主 要特点是风道简单，压力损失较小，所需的风量 相对较大，因此，选用大风量的轴流通风机进行 抽风较为合理。 首先计算外风路风量为： Q q Ct 式中， C——空气的比热 t ——外风路进、出口温差， 按生产经验取值 8~12K 风管内风速即可求出： q W A 式中， A——进风面积，风管内总过风面积 管内压力损失[1]为： L W 2 W 2 P 摩 局 di 2 2 式中， 摩 ——摩擦阻力系数
——管壁厚（m） ——管壁导热系数（千卡 /
米.时.℃） 流体在圆直管内作湍流时的给热系数[1]为： 0.023 Re0.8 Pr 0.4 di 式中， d i ——冷却管内径（米） Re——雷诺准数，大于 10000 时适用 Pr——普兰德准数，在 0.7~2500 之间适用 流体垂直于圆直管外流动时的给热系数 [1] 为： 1 0.197 Re 0.6 Pr 3 d0 式中， d 0 ——冷却管外径（米）
4.3 内风机的选择和设计
强迫通风冷却器的内风路即是电机铁心内 部的热空气通过直管间隙，与管壁进行热交换， 形成冷空气，再经由风机抽出，返回到铁心内部 吸收热量，如此循环，即可将电机内部的热量带 走，使电机整体形成稳定的热平衡状态。风路的 主要特点是风道形状复杂，风路分支多，压力损 失大，计算十分麻烦且不准确，因此，选用全压 较大的离心通风机进行抽风较为合理。 首先计算内风路总风量为： Q q Ct 式中， C——空气的比热 t ——内风路进、出口温差， 按生产经验取值 15~20K 风管间风速即可求出： q W A 式中， A——进风面积，若内风路为双风路设 1 计，风量是总风量的 2 内风路由于形状复杂，受风速、管间距、管 排数及铁心尺寸影响，一般是采取实验测定法， 测量在不同管间距、不同管排数下的换热器压力 损失，再估算内风路整体压力损失，然后与实测 数据验证，保证内风机风压和风量足够。 离心风机按叶片形状分为后倾式、径向式和 离心式，其风扇前盘形状又分为平前盘、圆锥前 盘和圆弧前盘等。考虑到风扇的高效率、低噪声 及制造工艺方便、结构简单等因素，我们选用了 带圆锥前盘的后倾式离心风扇（图7） ，具体设计 计算见文献[4]，整体焊接成型，结构强度好，叶 片设计为平板形，制造简单，风压较圆弧形后倾 式叶片高。
5.2 冷却器设计数据
预设冷却器内风进风温度 80 ℃，出风温度 60℃，外风进风温度40℃，出风温度55℃； 冷却器平均温差 t 20.44K ； 温差修正系数 0.912 ； 内风给热系数 1 46.505 ； 外风给热系数 2 57.936 ； 传热系数 K 25.855 千卡/m2.h.℃ 换热面积 F 97 m2； 冷却器结构按双风路设计，内风路采用 2 个 离心风机驱动， 外风路采用1个轴流风机驱动 （图 5） ； 外风风量 q2 2.98 m3/s； 外风路压力损失 P2 0.230 kPa； 外风路驱动电机型号Y100L1-4 2.2kW 380V B3； 内风总风量 q1 2.24 m3/s； 内风路冷却器部分压力损失 P1 0.273 kPa； 内风路驱动电机型号 Y112M-4 4kW 380V B5；
2.2 冷、热流体的平均温度差△t 的确定
式中， 在换热过程中，按照参与换热两流体的温度 沿传热壁面变化情况，可分为恒温传热和变温传 热两种，电机温升稳定后，冷却器属稳定变温传 热状态，即间壁两侧的流体温度仅随传热壁面位 置的不同而变化，而与时间无关。由于两流体在 传热过程中间壁两侧各点的温度是不同的，因此 其各点的温度差也就不同，如何计算稳定变温传 热过程的温度差，实际上是求平均温度差△tm的 问题。间壁两侧流体进行热交换时，有逆流、并 流、错流（交叉流）和折流等几种形式。 电机用热交换器一般为一次或多次错流（交 叉流）型，即热流体横向混合，冷流体不混合的 交叉流动换热（图2） 。其对数平均温度差[2]为： '' ' t2 t2 t '' ' ' t t t1'' t 2 ln[1 2' 2 ln( )] ' t1 t1'' t1' t 2 式中，
1 采用强迫通风冷却器的必要性
在全封闭式电机的设计中，由于电机防护等 级的要求较高，一般是不允许电机内部的冷却介 质与周围环境的冷却介质相互流通的，因此，如 何将电机运行时产生的大量热量由内部的冷却 介质有效、迅速的传递到周围环境的冷却介质， 使电机温升符合设计要求，这个问题一直是电机 设计的重要关注点之一，它决定着电机热负荷参 数的选取。高参数、低成本是电机发展的一个重 要方向，因此，相匹配的优越冷却系统是实现电 机向高参数方向发展的必要条件。 电机采用强迫通风冷却的情况一般为：电机 运行中需要调速；电机额定转速低；电机容量太 大等。前两种情况是因为电机在转速较低时，依 靠自身转子风道和同轴风扇产生的风压和风量 已不能满足电机通风散热的需求，必须通过外部 风机产生较大的风压和风量，来加强电机的通风 散热。后一种情况是由于电机容量太大，若仍采 用自扇冷方式，相应的电机风摩耗也大为增加，
热流体
冷流体
图 1 流体通过固体壁面的传热过程
2. 1 需要传递的热负荷 Q 的计算
根据电机的额定功率，利用电机的效率η及 允许容差，可以计算出电机的总损耗，考虑总损 耗中含有机械耗、风摩耗等未转化成热能部分， 另电机除冷却器本身散热外，还有机壳表面散热
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等因素，在计算时通过冷却器散出的热量可取电 机总损耗的70~75%。
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电机强迫通风冷却器的研究
李志华
（重庆赛力盟电机有限责任公司，重庆 401329）
摘要：随着各行业的变频调速电机和大功率、高效率电 机的需求不断增加，电机采用强迫通风冷却器进行散热 是行业发展的一个方向，本文介绍了能很好改善通风散 热效果、提高电机效率的强迫通风冷却器，并着重介绍 了强迫通风冷却器的热交换器设计，国内常见电机内外 风路结构的特点和选择，并对强迫通风冷却器风路的驱 动风机设计进行了研究，提出了一种适合生产实际的、 经济实用且性能可靠的电机用强迫通风冷却器，解决了 电机在低速状态下的通风散热需求；若应用在大功率电 机上，可以有效降低电机自身的风摩耗，提高电机效率， 节能降耗。通过在 YPT630-6 1400kW 10kV IP54 变频调 速异步电动机上的试制， 电机满载温升仅 65K， 满足了电 机 B 级（80K）温升考核的要求。 关键词：强迫通风，冷却器，热交换，通风散热