新型混合通风结构中1.doc

新型混合通风结构1 概述目前,国内外各电机制造厂在中型高压异步电动机上采用三种通风方式：径向、轴向及混合通风。从中型异步电动机的发展历史来看，在国内外早期生产的中型高压异步电动机全部采用径向通风，至今国内大部分中型异步电机生产厂家仍采用这种传统的径向通风方式。但随着科技的进步，国外一些主要的电机公司在七十年代中型电机产品的更新换代中，开始采用混合通风和轴向通风方式来取代径向通风，径向通风结构的中型异步电动机在国外已被逐步淘汰的趋势，如国外的ABB（BBC）、西门子、法国的CEM、富士等等公司，大部分产品已采用混合通风，而德国的AEG、X比利时的ACEC、日本的日立等等公司大部分产品为轴向通风。这二种通风方式使电机体积缩小、重量减轻、减少零部件、节省材料、降低制造成本，但目前国内大部分中型高压异步电机的制造厂家在新系列电机上仍采用径向通风结构，使新系列电机的外形尺寸、重量、材料、工时以及成本等经济指标落后于国外产品，因此研制新型的适合国情的混合通风结构的中型异步电机已是势在必行之事。我公司通过消化国外几家主要电机公司样本和资料后，再经过分析对比，在博采众长的基础上，结合我公司过去的通风研究的成果，以及考虑到国产材料和设备的条件下，开发研制出新型号混合通风结构样机（Y400-8，280Kw,6kV,IP23）,并完成了基本系列的设计工作.它在技术经济指标、防护型式派生、产品“三化”程度、及使用可靠性等方面都比过去的新系列样机有较大改进，已达到国际上同类产品九十年代的先进水平。它结构紧凑、体积小、重量轻、电磁负荷高，故在通风冷却方面比老产品有着更高的要求。由于新系列电机电磁负荷较高，使单位散热面积上的热流量增加，要求电机内部的风量分配更趋降低定子线圈最热点温升，控制平均温升，从而提高电机绝缘的可靠性，因此在新系列电机产品设计中，需要对电机的通风方式、通风元件及风路结构，进行例题选择。我公司研制的混合通风结构，通过样机实测验证，已达到定子绕组最热部位温升不高、平均温升较低的要求，并为提高电机性能、减小体积、减轻重量、节省材料和工时、减低成本、及全面推广新系列创造了有利条件，实现了提高新系列电机的技术指标和经济指标总体水平的目标。2 新系列异步电动机通风设计的特点2.1 新系列电机所需风量比老系列要小 因以往的老系列电机采用B级绝缘，设计时空气温升取B =20-25K，新系列电机采用的是F级绝缘，设计时空气温升可取r30-35K。当新、老系列电机功率相同时，新系列电机约比老系列电机提高效率2.5%，则相应总损耗要减少27.8%，新系列电机所需风量为老系列的一半。2.2 新系列电机产生的压力分析因新系列电机比老系列缩小了二档冲片外径，以样机为例（外径比），如新老电机取相同的内外径之比，新电机内经Dr=0.788DB，若采用径向通风方式风扇外径等于转子外径，则风扇产生的压力随外径平方下降，新电机的风压Hr=HB=0.62 HB。如用径向通风风扇，可能产生的风压将比老系列要小得多。由于新系列箱式电机要求派生多种防护型式，且电机铁芯长，风阻较大，尤其是10极或12极低速电机，其风压不够大，限制了径向通风方式的使用范围。如采用混合通风，风扇外径可增加到等于定子铁芯外径，对低速电机风扇外径约为转子外径的1.4倍，则采用混合通风的风压比径向通风要大1.42=1.96倍，即能满足低速电机多种防护型式的需要，使新系列电机的风扇具有更大的通用性。2.3 新系列电机定子线圈温度分布的估计新系列电机有效材料的消耗比老系列要小一些，总损耗也小一些，则由单位重量有效材料产生的损耗近似相等，但线圈直线部分约比老系列长1.5倍，将引起线圈直线部分单位损耗比的增大，新电机线圈部分的发热面积为Sr，Sr=（0.788DB*X1.5La）=1.18SB，则必损耗为Wr，Wr=1.5PB/1.18SB=1.27WB，即新系列电机细长后，线圈直线部分的比损耗比老系列要高27%，如线圈的直线部分不加强通风，则直线部分的温升将不均匀分布，从这里也可看出新系列电机如采用轴向通风系统线圈直线部分将出现比较高的不均匀温度分布的现象。3 我公司混合通风结构简介电机的通风方式和电机结构直接有关，不同的通风方式将采用的结构型式，本设计混合通风结构采用基本系列电机为不带顶罩的箱式机座结构，用外加各种顶罩来派生出其他防护等级型式的电机。我公司混合通风结构采用从机座的非轴轴伸端的二侧面进风，冷却电机内部后，从轴伸端的机座二侧面出风的混合通风系统，冷空气从机座二侧的一端进入后，分成二路：一路冷却定子绕组端部后进入定子铁芯背部，另一路从焊筋轴进入后，通过转子和定子铁芯的通风道，进入定子铁芯背部，二路冷却空气会合后再冷却定子线圈的另一端端部，最后由风扇抽出，从机座轴伸端的两侧散出热空气，在低速电机中采用的锥形风扇和间隙风扇，分别交替装于同一台电机上作了对比试验（我公司混合通风结构见图1）。我公司研制的混合通风结构既不同于国外的ABB和西门子公司的混合通风结构，也不同于国内上电厂和东方厂的混合通风结构，与ABB公司的混合通风结构相比有如下特点：a ABB公司采用的是相对定子铁芯为对称布置挡风罩的混合通风结构，而我公司采用的是两端挡风罩为不对称布置，将进风端的挡风处，主要缩短了进风端机座的长度，使我公司机座长度约比ABB公司的机座长度还短100mm，达到了缩小电机体积，节省结构材料的要求。b ABB公司混合通风是以径向通风为主，轴向通风为辅的混合通风系统，即进风风量全部进入转子通风道后，再进入定子风道，后又转入定子铁芯背部，再冷却定子线圈另一端端部，最后由风扇抽出热风。ABB公司混合通风结构的缺点是进风端的绕组端部缺乏气流冷却，冷却空气未被充分利用，使铁芯中部处的线圈中的最高温升达80K，比我公司的锥形风扇混合通风最高点的温升66K（间隙风扇最高点温升71K）要高。ABB公司的混合通风结构的绕组温度分布见图3，而我公司的温度分布曲线低于ABB公司的曲线。c ABB公司的混合通风机座由四块壁板、四块外侧板、四块底脚板以及二根角钢焊接而成，而我公司机座在中间二块机壁间增加了一个导风筒，以提高铁芯背部的气流速度，增加轴向通风风量的散热效果，并使圆周方向的铁芯和绕组温度均匀分布，也增强了机座刚度，经我公司对机座的横态测试及震动测量，证明机座刚性较好。d ABB公司定子铁芯与机座内孔为内圈与外圈相配合，使机座的通用性差，我公司改为内圈与铁芯筋相配合，减少了机座规格。另外ABB公司铁芯压圈开腰圆孔，简化了铁芯结构。3.5 ABB公司混合通风采用单向的后倾式离心风扇，其工艺复杂，制造难度大，挡风罩为塑料件，需模压。我公司改用双向转动的锥形离心风扇或间隙离心风扇，又将挡风罩 改为钢板件，仍达到了较高的效率水平（ABB公司该产品的效率93.5%，我公司样机为93.6%）。4 样机风量、温升及温度分布测试我公司样机试制后，对混合通风风路中的风速、风量及定子线圈和铁芯中的温度分布全面进行了测试，现将测试的主要数据列于表1中，测温元件按下述位置分布（见图4）：a 在第1、3、5、7段铁芯中线圈上、下层间的热电偶编号为A1、A2、A3、A4。b 在同一线圈两端的端部设置的热电偶得编号AD1、AD2、AD3、AD4。c 在定子铁芯中间段的轭部热电偶FA、FB、FC。d 在与A平面相差120角的B和C平面内的上下层线圈间放置热电偶B和C。从上例表1中看出，本混合通风结构的绕组平均温升和线圈中最高点温度均较低，铁芯中的线圈温差只有7.59C，即线圈温度分布较均匀，并且同一段铁芯内绕组的温度在圆周方向上也是均匀的，其温差仅差2C，同一段铁芯的温差约34C，而进出风温差已超过30度，达33C，说明冷却空气已进入电机最热部位，也被充分利用，其通风散热效果很好。二种风扇相比较，同样直径下，风扇噪声较小，风量也大些，可在4、6极电机中选用。5 混合通风结构的通风和温升计算5.1 通风计算：可采用上海电器科学研究所编制的通风计算程序进行计算。5.2 温升及温度场计算：可采用浙江大学的温度场程序进行计算。6 采用新混合通风结构的优越性6.1 这种新混合通风电机具有体积小、重量轻、省材料、省工时及成本低的特点，具有较高的经济效益和社会效益。a 当采用新的混合通风结构后，使电机机座的外形尺寸和体积达到国内外同类产品的最小值，并使电机总重量也达到较小值，现与国内外几家主要的电机公司作比较，见下表2。b 与同样净铁芯长的径向通风相比较，由于机座长度缩短及机座高、宽减少，约节省15%钢材料（以400中心高为例每个人机座约省75kg钢板）c 与径向通风电机（IP23）相比较省去一个上罩，每个上罩平均节省了150kg钢材，并减少30%的焊接工时。d 与径向通风相比，由于机座减短，使转轴相应缩短了11%。另外比径向通风约减少了3%，转子用铜量减少5%。上述因素使新系统电机采用新的混合通风结构后可较大幅度减少电机制造成本，又利于系列中型高压异步电机的国产化推广应用。e 与径向通风进行对比计算后，可看出混合通风的性能如效率、功率因数、及转矩较高，经计算其效率约提高0.2%，功率因数约提高0.6%，其节电效果也是显著的。6.2 混合通风结构既可以适用于低速也可以用于高速电机（如西门子公司的二级电机），以及从基本系列到派生系列的各种情况，其适用性和零部件的通风性更强，特别当派生空水冷封闭式电机时，只需安装一个冷却器。又当派生管道通风时，通风管道为一端进另一端出，而径向通风电机为两端进中间出，使派生结构达到省料，少工时的要求。6.3 与轴向通风相比较，新型混合通风结构具有定子绕组平均温升较低，线圈直线部分温度分布比较均匀，线圈中最高温度较小的特点，提高了电机运行的可靠性。6.4 混合通风结构的风扇直径可以从等于定子铁芯内径到外径的范围内选择，设计上由较大的灵活性，可以得到达到所需的风压和风量，并使风摩耗达到较小的最佳直径，便于设计上进行调正。7 结束语我公司通过对新型混合通风结构研究，已促使中型箱式结构异步电机内部的风量分配合理，达到了定子绕组最高点温升不高，线圈平均温升较低的要求，并为提高电机性能、减小电机体积、减轻电机重量、降低新系列电机制造成本创造了有利条件。实现了用新的混合通风结构，全面提高新系列电机的技术指标和经济指标总体水平的目标，适用于新系列中型高压异步电动机体积小、重量轻、效率和功率因数高、噪声低、振动小、温升低，达到了国际上同类产品八十年代的水平。表1温度 测点风扇形式AD1AD2A1A2A3A4AD3AD4BCFAFBFC绕组绕组绕组进风温度进风温度锥形风扇505565.57068.562.55246.5727461626463k838间隙风扇56647780787161.555848671737566k1548表2中心高机座外形尺寸 重量公司及厂家AB（机座宽）mmBB（机座长）mmHC（机座高）mm电机重量kg400412级瑞士BB公司德国西门子公司德国AEG公司老产品S1410-8280KW上海电机厂湘潭电机厂联合设计径向通风沈阳电机混合通风800830910112081090090084014501620139016001510151015201360830815800127083085085082026903400244026202340系列型谱机座号同 步 转 速 r/min300015001000750功 率 ( kW ) 1 2355 3 4 5185200220250280185200220250280-1601