浅析三相异步电动机通风结构与温升分布

浅析三相异步电动机通风结构与温升分布
左芝明吴明王军
摘要：在异步电动机设计过程中,风路的设计是一项非常重要的工作,不同通风结构将导致电机内部各点温度呈现不同的分布态势，设计风路一定要与电路、磁路相适应，另外，为了把电动机损耗转化的热量有效地传递出去，冷却空气应尽量接触电动机发热部件（绕组、铁心、结构件等），冷却空气经过的路径中应保证发热体有足够的散热面积，这样才能得到更好的冷却效果。
关键字：大中型电动机；通风；风路；温升
　异步电动机常用的冷却风路有三种结构；即轴向通风、径向通风、轴-径向混合通风。不同的通风方式，绕组各点温度分布情况均不相同，选择电机的冷却风路结构时，应综合考虑电机容量、极数、转速、铁心长度及定、转子铁心内、外径尺寸等参数，同时应考虑到加工成本等因素。下面着重介绍一下不同的风路结构下定子绕组中各点温度分布情况及不同风路结构的适用范围。
一、轴向通风
轴向通风一般采用抽风结构。电机一端安装离心风扇，定、转子铁心不设径向风道，冷却气流从非风扇端进入后沿轴向流动。
（一）、定子铁芯外表面风路
该风路的进、出风口一般由定子压圈或环筋板开孔形成。由于铁芯外表面至机座壁一般有较大的间隙，为了增加冷却空气的流速进而改善冷却效果，一般在铁芯外表面增加导流板以形成合适的通风面积。
（二）、电机定、转子之间气隙风路
由于气隙两边定、转子铁心表面距定、转子绕组距离最近，且电机的定、转子表面杂散损耗就产生于气隙两边的铁芯表面，若能增加气隙部分的空气流量，将产生很好的冷却效果。实验表明，采用定子槽口通风时，使气隙部分的风量分配大大增加，尽管通过气隙的风量仍占总风量的较小部分，但通过气隙消散的电机损耗可占电机发热损耗的30%以上。
（三）、转子轴向通风孔
通过转子铁心轴向通风孔的冷风主要带走转子绕组的铜耗及转子铁心中的其它损耗产生的热量，在风量能够保证的情况下，通风孔的面积并不是主要的，尽量增加通风孔的总周长，也即增加转子铁心的总散热面积，将会使冷却效果更好。
二、径向通风
冷却空气由两侧对称进入。冷却空气的主要部分经定子线圈端部→转子轭部风路→转子径向风道→气隙→定子径向风道，最后经定子铁芯中部排出。
这种通风结构广泛应用于大中型高压电机，如我公司的Y、YKK、YKS、 YTM系列，中心高为H450、H500、H560、H630等以上的4、6、8、10、12极电机。
由于定子绕组端部散热面积较大，所以靠近端部处温升较低，由于出槽口处铁心表面的散热效果好，故绕组在该点温度最低。
这种通风方式的通风损耗小，散热面积大，沿电动机轴向的温升分布比较均匀。铁芯部分的绕组温升基本相同,总体来说绕组各部分温升差异很小。但其缺点是需要设置径向通风道，因而使得电动机轴向尺寸略为增大，也增加了加工成本。
三、轴-径向混合通风
采用轴-径向混合通风主要有两种方式：
（一）、电机一侧安装离心风扇
冷却空气主要经由转子轭部风路→转子通风道→气隙→定子通风道→定子线圈直线部分、定子铁芯通风道表面→定子线圈端部→冷却风扇，最后排出，（见图5）这种通风方式仍为一端进风，另一端出风，铁芯不宜太长。目前国内广泛应用于中型高压（6kv、10KV）YR、YRKK、YRKS的4极、6极、8极、10极、12极异步电机中。
（二）、电机两侧安装轴流式风扇如图1示。

图1轴－径向混合通风（两侧）风路组成
定子采用槽口通风，这大大增加了气隙中的空气流量。转子通风道数量远少于定子通风道数量，这是为了避免高速情况下风摩耗太大及产生过高噪声。转子通风道集中在铁心中间，这使得冷却空气由转子径向通风道流进定子径向通风道时，有较大部分轴向流经气隙，进一步改善了冷却效果。
冷却空气进入电动机后，大体上分成三条独立的路径流动：⑴经线圈端部流向定子铁芯表面；⑵直接流经气隙及定子槽口，然后进入定子径向风道；⑶经转子径向风道的部分。如上图6示。
这种通风结构一般应用于大中型高压电机中的2极系列电机及部分4极电机中，如我公司的Y、YKK、YKS 2极系列，中心高为H355、H400、H450、H500、H560、H630等以上电机中。
相应的定子绕组温度特性分布如下图7所示：

图7 定子绕组温升特性分布（混合通风）
这种通风方式兼有前两种通风方式的特点，温升分布特性是以电动机铁芯为中心两端基本对称分布，定子绕组温度分布比较均匀，冷却效果较好,其缺点是结构比较复杂,生产成本高。
综上所述，电动机采取怎样的通风冷却风路不仅与电动机的大小、结构、容量有关，还与其转速等其它因素相关。选用适当的通风冷却风路对电动机的优化设计至关重要。

参考文献：
[1]方日杰.电机制造工艺学.机械工业出版社,1993
[2]陈世坤.电机设计.机械工业出版社,2000
[3]旋转电机标准汇编.异步电机卷.中国标准出版社,2002