陳君哲，陸依帆，陳建軍

(1. 上海思源高壓開關(guān)有限公司； 2. 上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

IC611結(jié)構(gòu)的箱式高壓三相異步電機(jī)，廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵、石化、冶金等行業(yè)，是一個(gè)量大面廣的高壓電機(jī)產(chǎn)品，是大型電機(jī)生產(chǎn)制造廠的主導(dǎo)產(chǎn)品。電機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、空空冷卻器、內(nèi)風(fēng)扇、外風(fēng)扇、導(dǎo)風(fēng)罩等部件組成，結(jié)構(gòu)示意圖(見圖1)。近年來，隨著電機(jī)市場競爭的日益激烈，為了降低電機(jī)設(shè)計(jì)制造成本，箱式高壓電機(jī)向著小體積、大容量、高積熱、高效率的方向發(fā)展。為此需要優(yōu)化電機(jī)的通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)，提高電機(jī)的通風(fēng)散熱效率，以滿足電機(jī)熱負(fù)荷提高的情況下，控制電機(jī)溫升在合理的范圍內(nèi)，滿足用戶的使用要求。

1.轉(zhuǎn)子；2.定子；3.冷卻器；4.導(dǎo)風(fēng)罩；5.內(nèi)風(fēng)扇；6.外風(fēng)扇圖1 電機(jī)通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)示意圖

電機(jī)的發(fā)熱量來源于電機(jī)的總損耗，包括定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、定子鐵耗、風(fēng)摩耗、雜散損耗等。其中風(fēng)摩耗由兩部分組成，一是轉(zhuǎn)子鐵心表面與氣體旋轉(zhuǎn)摩擦而產(chǎn)生的損耗；二是轉(zhuǎn)子風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的損耗。電機(jī)的散熱主要有三個(gè)途徑：一是通過電機(jī)內(nèi)部循環(huán)風(fēng)路，將電機(jī)定子，轉(zhuǎn)子及其他部位產(chǎn)生的熱量帶至冷卻器內(nèi)部空間，經(jīng)過熱交換，傳遞至冷卻管里的外部空氣并被帶至外部大氣環(huán)境中；二是熱傳導(dǎo)至電機(jī)外表面，以對流換熱方式將熱量擴(kuò)散至電機(jī)周圍環(huán)境中；三是電機(jī)整體作為輻射體，通過熱輻射方式將一部分熱量傳遞至周圍大氣中。

優(yōu)化電機(jī)通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意將電機(jī)內(nèi)部循環(huán)風(fēng)路的風(fēng)阻控制在合理范圍之內(nèi)。應(yīng)確保電機(jī)的內(nèi)部循環(huán)風(fēng)路有足夠的循環(huán)風(fēng)量，使其能將電機(jī)定轉(zhuǎn)子部位的熱量傳遞到空空冷卻器，通過熱交換排放到電機(jī)周圍的大氣中。如果電機(jī)的內(nèi)部循環(huán)風(fēng)路的風(fēng)量不夠，即使空空冷卻器的換熱容量足夠大，外部循環(huán)風(fēng)量也充足，電機(jī)內(nèi)部的熱量還是無法及時(shí)傳遞至外部環(huán)境，最終會(huì)造成電機(jī)溫升過高，這一點(diǎn)在低速電機(jī)中表現(xiàn)更為突出。如某公司曾試制型號為YKK630-10P 900 kW 6 kV的電機(jī)，電機(jī)的總損耗約50 kW。空空冷卻器采用矩形排管(見圖2)，總管數(shù)703根，冷卻器計(jì)算換熱容量70 kW。但電機(jī)內(nèi)部循環(huán)風(fēng)路風(fēng)阻過大，內(nèi)部循環(huán)風(fēng)路循環(huán)不暢，熱量積聚在電機(jī)定轉(zhuǎn)子部位，無法傳遞到冷卻器進(jìn)行熱交換，導(dǎo)致電機(jī)溫升過高，試驗(yàn)溫升84 K，不合格(B級溫升考核)；后空空冷卻器改用M形排管(見圖3)，總管數(shù)640根，冷卻器計(jì)算換熱容量55 kW，電機(jī)內(nèi)部循環(huán)風(fēng)路風(fēng)阻減小了，內(nèi)部循環(huán)風(fēng)量增大。經(jīng)過試驗(yàn)，試驗(yàn)溫升70 K，溫升降低了14 K。

圖2 矩形排管冷卻器

圖3 M形排管冷卻器

1 電機(jī)外風(fēng)扇的特性分析

高壓箱式電機(jī)外風(fēng)扇是電機(jī)的關(guān)鍵部件，為電機(jī)外風(fēng)路流動(dòng)提供動(dòng)力，正確選擇使用外風(fēng)扇十分重要。外風(fēng)扇的性能直接影響電機(jī)的溫升、效率、噪聲、成本等。如電機(jī)外風(fēng)扇的幾何尺寸過大，雖然有利于降低電機(jī)的溫升，但風(fēng)扇的功耗大、電機(jī)的效率低，同時(shí)電機(jī)的通風(fēng)噪聲也會(huì)增大，如電機(jī)外風(fēng)扇的幾何尺寸過小，則相反。

IC611結(jié)構(gòu)的高壓箱式電機(jī)使用的外風(fēng)扇均為離心風(fēng)扇，主要有以下三類：

第一，后傾式離心風(fēng)扇(見圖4)，葉片出口角β2<90°。此類風(fēng)扇全壓系數(shù)低、效率高、噪聲小，是高壓電機(jī)中最常用的外風(fēng)扇類型。

圖4 后傾式離心風(fēng)扇

第二，前傾式離心風(fēng)扇(見圖5)，葉片出口角β2>90°。此類風(fēng)扇全壓系數(shù)高，但效率低、噪聲小，此類風(fēng)扇基本上很少使用，主要應(yīng)用于大型低速且需要降低噪聲的電機(jī)。

第三，徑向式離心風(fēng)扇(見圖6)，葉片出口角β2=90°，此類風(fēng)扇全壓系數(shù)介于前兩者之間，但效率低，噪聲大，此類風(fēng)扇也很少使用，只應(yīng)用于需雙向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)。

圖6 徑向式離心風(fēng)扇

離心風(fēng)扇所能產(chǎn)生的壓力P與流量Q之間的關(guān)系稱為外特性，離心風(fēng)扇的實(shí)際外特性可以用P-Q外特性曲線表示(見圖7)。

圖7 離心風(fēng)扇P-Q外特性曲線

風(fēng)扇的空載運(yùn)行點(diǎn)是當(dāng)風(fēng)扇沒有風(fēng)量(Q=0)時(shí)，所能產(chǎn)生的靜壓力(P0)，如果將葉輪外徑的所有孔口都加以封閉，可得到這種運(yùn)行狀態(tài)。風(fēng)扇空載運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的靜壓力(P0)可用式1計(jì)算。

P0=0.0 027ρηn2(D2-d2)

(1)

式中：P0為靜壓力，Pa；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；D為風(fēng)扇外徑，m；d為風(fēng)扇內(nèi)徑，m；ρ為氣體密度，kg/m3；η為氣體動(dòng)效率，徑向葉輪取0.6，后傾葉輪取0.5。

風(fēng)扇在“短路”運(yùn)行時(shí)，其外部風(fēng)阻為0，此時(shí)風(fēng)扇所產(chǎn)生的外壓力P=0，而經(jīng)過風(fēng)扇的風(fēng)量達(dá)到最大值(Qm)，可用式2計(jì)算。

Qm=0.148KnD2b

(2)

式中：Qm為風(fēng)扇可產(chǎn)生的最大風(fēng)量，m3/s；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；D為風(fēng)扇外徑，m；b為風(fēng)扇出口寬度，m；K為風(fēng)量系數(shù)，徑向葉輪取0.42，后傾葉輪取0.35。

當(dāng)風(fēng)扇運(yùn)行工作時(shí)，風(fēng)扇的功耗可用式3計(jì)算。

W=0.001P0Qm/F

(3)

式中：W為風(fēng)扇的功耗，kW；P0為靜壓力，Pa；Qm為風(fēng)扇可產(chǎn)生的最大風(fēng)量，m3/s；F為風(fēng)扇效率，取值范圍0.3～0.4。

當(dāng)已知外風(fēng)扇的外特性及外部循環(huán)風(fēng)路的風(fēng)阻特性時(shí)，可用作圖法求出外風(fēng)扇運(yùn)行的實(shí)際風(fēng)量。圖7中兩曲線的交點(diǎn)代表外風(fēng)扇的工況點(diǎn)，即外風(fēng)扇的實(shí)際工作點(diǎn)，由于風(fēng)扇的最高效率一般發(fā)生在Q=0.5Qm附近，因此外風(fēng)扇的工況點(diǎn)最好在Q=0.5Qm附近。

2 外風(fēng)扇的設(shè)計(jì)選用

如何正確的選擇箱式高壓電機(jī)的外風(fēng)扇？通常來說，應(yīng)先進(jìn)行電機(jī)的通風(fēng)散熱計(jì)算分析，確定電機(jī)外部通風(fēng)管路工況點(diǎn)的風(fēng)量及風(fēng)壓；再結(jié)合已知的電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行外風(fēng)扇的設(shè)計(jì)計(jì)算，并最終確定風(fēng)扇的幾何尺寸，包括風(fēng)扇的外徑、內(nèi)徑、寬度、葉片數(shù)量、進(jìn)出口角等。電機(jī)是十分成熟的工業(yè)產(chǎn)品，電機(jī)設(shè)計(jì)通常是系列化、通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，一個(gè)系列電機(jī)產(chǎn)品通常有幾十個(gè)規(guī)格，外風(fēng)扇作為電機(jī)的一個(gè)部件，每一個(gè)規(guī)格的電機(jī)相應(yīng)設(shè)計(jì)一個(gè)外風(fēng)扇顯然是不可能、也不經(jīng)濟(jì)的。因此在電機(jī)進(jìn)行系列設(shè)計(jì)時(shí)，外風(fēng)扇必須進(jìn)行系列化通用化設(shè)計(jì)，盡量減少外風(fēng)扇規(guī)格數(shù)量。

一般來說，設(shè)計(jì)一個(gè)高效、低噪聲、P-Q曲線平坦的離心風(fēng)扇是十分困難的，通常需設(shè)計(jì)制造一個(gè)模型機(jī)，反復(fù)進(jìn)行性能測試改進(jìn)，定型，然后根據(jù)通風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)的相似性原理進(jìn)行系列設(shè)計(jì)。我國的風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)人員已進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)科研工作，設(shè)計(jì)制造了大量的通風(fēng)機(jī)系列產(chǎn)品，如T4-72系列通風(fēng)機(jī)等。我們在進(jìn)行外風(fēng)扇設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在上述成熟的系列通風(fēng)機(jī)葉輪基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)，使其適合電機(jī)外部通風(fēng)管路的工況，這樣既能保證設(shè)計(jì)風(fēng)扇的優(yōu)良性能，同時(shí)也可降低葉輪制造模具的投入、降低制造成本，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

電機(jī)的外部循環(huán)風(fēng)路的管路較短，風(fēng)阻主要來源于冷卻管的入口壓力損失及氣體在冷卻管內(nèi)流動(dòng)時(shí)沿程阻力損失?？傮w來說，電機(jī)外部通風(fēng)管路所需壓力并不高，但風(fēng)量較大，是一個(gè)中壓大流量的工況。因此在進(jìn)行外風(fēng)扇的設(shè)計(jì)選型時(shí)，應(yīng)適當(dāng)控制風(fēng)扇的外徑，增大寬度，這樣既能滿足風(fēng)量要求，同時(shí)可降低風(fēng)扇的功耗及通風(fēng)噪聲。

3 試驗(yàn)與驗(yàn)證

2019年，某公司為適應(yīng)市場需求，開發(fā)研制了新一代YXKK系列箱式IC611結(jié)構(gòu)的電機(jī)，中心高355～630 mm，轉(zhuǎn)速375～1 500 r/min，功率250～6 300 kW，電壓6 kV/10 kV。在此系列電機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，進(jìn)行了電機(jī)的通風(fēng)散熱計(jì)算分析，合理確定了外部通風(fēng)管路所需的風(fēng)量及風(fēng)壓。在借鑒T4-72-12系列通風(fēng)機(jī)葉輪資料基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，按照系列化、通用化的原則，全系列電機(jī)共設(shè)計(jì)11個(gè)規(guī)格的外風(fēng)扇。750 r/min以上高速電機(jī)選用后傾式離心風(fēng)扇；750 r/min以下的低速電機(jī)及雙向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)選用徑向離心風(fēng)扇，風(fēng)扇的外徑φ500～φ900 mm、寬度150～225 mm、出口角β2為40～50°、弧形前盤。

設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行了不同規(guī)格多批量電機(jī)試制，試驗(yàn)結(jié)果表明，電機(jī)的溫升、效率均符合設(shè)計(jì)指標(biāo)。大部分電機(jī)的噪聲均在聲壓級85 dB(A)以下，少數(shù)高速電機(jī)在增加消音裝置后，噪聲也控制在聲壓級85 dB(A)以下，外部通風(fēng)管路的進(jìn)出風(fēng)溫差在15～35 K之間。

為了驗(yàn)證電機(jī)外部通風(fēng)管路的實(shí)際工況點(diǎn)，電機(jī)試驗(yàn)時(shí)，在電機(jī)的外風(fēng)扇(圖1序號6)的進(jìn)風(fēng)口用手持式風(fēng)輪測速儀測量了進(jìn)風(fēng)口的平均風(fēng)速，實(shí)測了進(jìn)風(fēng)口的面積，計(jì)算出了外部通風(fēng)管路的實(shí)際通風(fēng)量。這樣的實(shí)測工作，在不同中心高及不同轉(zhuǎn)速電機(jī)上進(jìn)行了二十多次。經(jīng)過對數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，并與按式(2)的計(jì)算值對比，發(fā)現(xiàn)電機(jī)外部通風(fēng)管路的實(shí)際風(fēng)量Q約等于(0.4～0.5)Qm，與計(jì)算值具有很高的一致性。

為了驗(yàn)證電機(jī)外風(fēng)扇功耗式(3)計(jì)算的適用性，選取部分規(guī)格的試制樣機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)過程如下：在電機(jī)做完試驗(yàn)后，拆下圖1中序號6外風(fēng)扇，保持其他部件不變，重新試驗(yàn)，再次測量試驗(yàn)電機(jī)的風(fēng)摩耗。按照以上試驗(yàn)方法，同一電機(jī)兩次試驗(yàn)風(fēng)摩耗實(shí)測值之差，應(yīng)該是所測電機(jī)外風(fēng)扇的實(shí)測功耗。將實(shí)測功耗與按式(3)的計(jì)算值進(jìn)行對比分析，在風(fēng)扇效率F=0.3～0.4時(shí)，式(3)的計(jì)算結(jié)果基本接近實(shí)測值。具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 風(fēng)摩耗和風(fēng)扇功耗實(shí)測值

4 結(jié)論

本文根據(jù)IC611高壓異步箱式電機(jī)外部通風(fēng)管路的具體情況，分析了電機(jī)外風(fēng)扇的外特性及設(shè)計(jì)選用中應(yīng)關(guān)注的問題。介紹了在已知外風(fēng)扇的幾何尺寸及電機(jī)轉(zhuǎn)速的情況下，計(jì)算外風(fēng)扇的風(fēng)量、風(fēng)壓及功耗的計(jì)算公式，并對公式的適用性進(jìn)行了簡單的試驗(yàn)驗(yàn)證。在電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，估算電機(jī)外風(fēng)扇相關(guān)性能參數(shù)時(shí)可作參考使用。