李雙鳳，陳錦華

（1.650051 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司；2.650504 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院)

0 引言

目前，市政管網(wǎng)雖然得到較大發(fā)展，但資源配置卻不平衡。老舊小區(qū)普遍采用市政自來水直供或屋頂水箱供水的形式，在用水高峰期，市政自來水壓力不足，難以滿足住戶用水需求；使用屋頂水箱供水方式的老舊小區(qū)，屋頂水箱因無法及時(shí)維護(hù)，長時(shí)間使用會出現(xiàn)大量污垢、滋生細(xì)菌，導(dǎo)致二次水體污染。目前老舊小區(qū)供水設(shè)備改造，對于需要加壓供水的小區(qū)，可選擇具有液位檢測裝置、消毒裝置、濁度、余氯以及安防等功能的一體化供水設(shè)備，既能滿足小區(qū)供水要求，也能避免二次污染[1]。

為滿足水箱容量，老舊小區(qū)放置一體化供水設(shè)備的空間一般較小，電機(jī)內(nèi)部發(fā)熱、有效散熱區(qū)域不足成為電機(jī)散熱的難點(diǎn)[2-3]，并且電機(jī)長時(shí)間運(yùn)行導(dǎo)致溫度上升[4-5]、電機(jī)內(nèi)部絕緣材料壽命縮短，使得發(fā)熱量增加。采用高效電機(jī)散熱系統(tǒng)可有效提高電機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，其中風(fēng)冷和液冷是電機(jī)常用的散熱方式。風(fēng)冷成本低、可靠度高、安裝方便；水冷系統(tǒng)散熱效率可達(dá)到風(fēng)冷的50 倍左右，但復(fù)雜程度高于風(fēng)冷[6-7]。

由于設(shè)備密度過大，散熱效果不理想，電機(jī)溫度過高致使其壽命縮短，運(yùn)行效率降低。本文使用SolidWorks 軟件對水泵電機(jī)自然冷卻、強(qiáng)迫對流以及強(qiáng)迫水冷進(jìn)行三維建模。大多數(shù)一體化供水設(shè)備均由不銹鋼焊接而成，不具備隔熱功能，因此，選擇不同的設(shè)備間溫度，使用ANSYS Icepak 軟件對3 種散熱系統(tǒng)進(jìn)行分析，分析設(shè)備間溫度變化對各散熱系統(tǒng)的供水水泵電機(jī)溫升的影響，選擇受環(huán)境溫度影響較小的散熱系統(tǒng)為電機(jī)進(jìn)行散熱。

1 理論分析

導(dǎo)熱、輻射換熱和對流換熱是熱量傳遞的3 種基本方式，熱量從高溫區(qū)域傳遞至低溫區(qū)域是熱量傳遞的基本規(guī)律[8]。熱量傳遞的計(jì)算公式為

式中：Q——熱流量，W；K——換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A——換熱面積，m2；Δ——冷熱介質(zhì)間的溫差，℃。

對流換熱是設(shè)備散熱的主要方式，流動的氣體或液體與設(shè)備散熱部件表面之間接觸，不同溫度發(fā)生熱量交換。本文使用的對流換熱分為自然對流、強(qiáng)迫空氣對流以及強(qiáng)迫水冷對流，如表1 所示[9]。自然對流具有無噪音、經(jīng)濟(jì)可靠等特點(diǎn)；強(qiáng)迫對流主要通過風(fēng)機(jī)或水泵驅(qū)動散熱介質(zhì)，冷流體與發(fā)熱部件發(fā)生熱量交換進(jìn)行冷卻。

表1 不同流換熱系數(shù)及特性Tab.1 Heat transfer coefficient and characteristics of different flow

2 建立模型

2.1 幾何模型

本文以1 臺2.2 kW 水泵電機(jī)為研究對象，建立電機(jī)三維模型，為下一步計(jì)算電機(jī)的溫度場分布提供依據(jù)。首先建立空氣自然對流（自然風(fēng)冷）電機(jī)模型，該模型只加有散熱片；再建立強(qiáng)迫空氣對流（風(fēng)冷）電機(jī)模型，模型除散熱片外還有風(fēng)扇；最后建立強(qiáng)迫對流（水冷）電機(jī)模型，該電機(jī)模型外殼內(nèi)部布置有水路系統(tǒng)，模型如圖1 所示。

圖1 不同散熱系統(tǒng)水泵電機(jī)Fig.1 Pump motor for different thermal dissipation

風(fēng)冷散熱系統(tǒng)一般是在電機(jī)殼表面布置翅片，散熱面積越大散熱效果越好，可通過增加散熱翅片數(shù)量增加換熱面積、提高散熱效率，并且具有制造工藝簡單、成本較低、可靠度高等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)選擇使用自然風(fēng)冷，通過電機(jī)殼與空氣自然對流進(jìn)行散熱，不需要額外動力裝置。強(qiáng)迫風(fēng)冷使用最多的是風(fēng)扇系統(tǒng)制冷，提高電機(jī)散熱效率[10]。

水冷散熱系統(tǒng)通常在電機(jī)殼內(nèi)部設(shè)置密封的環(huán)形水路，電機(jī)殼安裝時(shí)，進(jìn)水與出水位置與水泵進(jìn)水和出水位置一致。水泵啟動時(shí)，電機(jī)殼內(nèi)的水開始循環(huán)，冷卻水進(jìn)入機(jī)殼水路對電機(jī)進(jìn)行冷卻。水冷電機(jī)采用折返水路，具有結(jié)構(gòu)簡單、制造工藝簡便、散熱均勻等優(yōu)點(diǎn)[11-12]，如圖2 所示。水路展開圖如圖3 所示。使用ANSYS 對水路中的流體進(jìn)行仿真，可清晰看到流體的流向，如圖4 所示。

圖2 折返型水路結(jié)構(gòu)Fig.2 Retractable waterway structure

圖3 水路展開圖Fig.3 Waterway expansion plan

圖4 流體流向圖Fig.4 Flow direction

電機(jī)發(fā)熱主要元件有定子繞組和定子鐵心，電機(jī)機(jī)座熱量由定子鐵心直接傳遞而來，定子繞組熱量先傳遞到鐵心再傳遞到機(jī)座；電機(jī)發(fā)熱中定子繞組銅耗占比最大[13-14]。電機(jī)主要參數(shù)見表2。

表2 電機(jī)材料系數(shù)表Tab.2 Motor material coefficients

2.2 理論模型

為節(jié)省計(jì)算時(shí)間、提高準(zhǔn)確性，對繞組進(jìn)行符合實(shí)際情況的簡化，去除機(jī)殼上的一些細(xì)小特征，忽略接觸面之間的熱阻，電機(jī)的熱耗全部轉(zhuǎn)化為熱量。分析機(jī)殼、定子、繞組，等效模型如圖5 所示。

圖5 簡化幾何模型Fig.5 Simplified geometric model

對機(jī)殼、定子、繞組采用非結(jié)構(gòu)化六面體劃分網(wǎng)格。設(shè)備間環(huán)境溫度分別設(shè)為20、25、30、35、40、45、50、55、60℃。強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱以及水冷散熱總熱功耗為246.1 W。對散熱器采用非結(jié)構(gòu)化六面體劃分網(wǎng)格，如圖6 所示。

圖6 散熱器模型的網(wǎng)格劃分Fig.6 Grid division of radiator model

首先對自然風(fēng)冷電機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，設(shè)備間環(huán)境溫度設(shè)置為20℃，風(fēng)向從電機(jī)后端蓋向電機(jī)前端蓋；機(jī)殼上半部分溫度高，下半部分溫度較低，計(jì)算出電機(jī)殼溫度為83.7 ℃，電機(jī)溫度分布如圖7所示。

圖7 電機(jī)溫度分布圖Fig.7 Motor temperature distribution diagram

由圖7 可知，機(jī)殼溫度遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)給定的設(shè)備間環(huán)境溫度，且該溫度對電機(jī)損害較大，因此自然風(fēng)冷不能用于該電機(jī)的散熱。

對使用強(qiáng)迫風(fēng)冷以及強(qiáng)迫水冷電機(jī)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。設(shè)備間環(huán)境溫度為20℃時(shí)，使用風(fēng)扇強(qiáng)迫散熱，風(fēng)向從機(jī)殼后端蓋向前端蓋，機(jī)殼溫度為37.57℃。使用強(qiáng)迫水冷對電機(jī)進(jìn)行散熱，介質(zhì)為水，水由進(jìn)水口進(jìn)入流向出水口，機(jī)殼溫度為32.82℃。強(qiáng)迫風(fēng)冷以及強(qiáng)迫水冷電機(jī)溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于自然風(fēng)冷電機(jī)溫度，故使用強(qiáng)迫風(fēng)冷和強(qiáng)迫水冷2 種系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，電機(jī)溫度分布如圖8 所示。

圖8 電機(jī)溫度分布圖Fig.8 Motor temperature distribution diagram

3 不同散熱系統(tǒng)的溫度測試

3.1 電機(jī)強(qiáng)迫風(fēng)冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

使用電機(jī)為強(qiáng)迫風(fēng)冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，模擬設(shè)備間環(huán)境溫度分別為20、25、30、35、40、45、50、55、60 ℃時(shí)對電機(jī)殼溫度的影響，機(jī)殼溫度如圖9所示。設(shè)備間外部環(huán)境溫度發(fā)生變化后，在空氣流動較差的設(shè)備間相應(yīng)溫度隨之改變。設(shè)備間環(huán)境溫度每上升5℃，對應(yīng)機(jī)殼溫度也大約上升5℃。由此可知，電機(jī)中的風(fēng)冷散熱系受環(huán)境溫度影響較大。

圖9 風(fēng)冷散熱機(jī)殼溫度Fig.9 Air cooled cooling motor temperature

3.2 電機(jī)強(qiáng)迫水冷系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

使用電機(jī)為強(qiáng)迫水冷散熱系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，流體介質(zhì)為水且初始溫度為25℃，模擬設(shè)備間環(huán)境溫度分別為20、25、30、35、40、45、50、55、60℃時(shí)對電機(jī)殼溫度的影響，如圖10 所示，隨著設(shè)備間環(huán)境溫度的上升，電機(jī)殼溫度始終穩(wěn)定在33℃左右，可知強(qiáng)迫水冷散熱系受環(huán)境溫度影響很小。

圖10 水冷散熱機(jī)殼溫度Fig.10 Temperature of water cooling enclosure

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)對水泵電機(jī)自然冷卻、強(qiáng)迫對流（風(fēng)冷）以及強(qiáng)迫對流（水冷）3 種不同散熱系統(tǒng)進(jìn)行分析，分析室溫變化對使用不同散熱系統(tǒng)的水泵電機(jī)的影響得出以下結(jié)論：

（1）使用自然冷卻的電機(jī)在環(huán)境溫度為20℃時(shí)溫升明顯，溫度為83.7℃，溫度過高會縮短設(shè)備壽命、降低可靠性，因此該電機(jī)不能使用自然冷卻系統(tǒng)。

（2）使用強(qiáng)迫對流（風(fēng)冷）作為電機(jī)散熱系統(tǒng)，在環(huán)境溫度為20℃時(shí)，溫升明顯小于自然冷卻系統(tǒng)，溫度為37.57℃，但是受環(huán)境溫度影響較大。

（3）使用強(qiáng)迫對流（水冷）作為電機(jī)散熱系統(tǒng)，在環(huán)境溫度為20℃時(shí)，溫升比強(qiáng)迫對流（風(fēng)冷）系統(tǒng)低約5℃，受環(huán)境溫度影響最小。

綜上所述，對于老舊小區(qū)供水管網(wǎng)的改造，可供放置一體化供水設(shè)備的面積較小，對于空間狹窄、散熱較差的設(shè)備間而言，使用強(qiáng)迫水流為電機(jī)散熱可有效降低電機(jī)溫度，延長設(shè)備使用壽命，保障供水水泵在高效區(qū)運(yùn)行。