【摘要】分析了YXKK系列高效率三相异步电机冷却系统。从通风系统方式、风扇结构、冷却器结构、定转子通风道分布、铜条转子与铸铝转子的选用5个方面，结合不同的数据分析，说明了高效率电机风路结构设计参数的优化方向。结论对高效率电机的风路设计具有一定的参考价值。
0 引言
随着我国节能减排工作的深入开展，异步电机节能从以前低压高效率电机发展到了低压超高效率和高压高效率电机。2010年5月31日，财政部、发改委公布高效电机推广实施细则，给予大中型高压的高效率产品实施补贴。2013年，GB30254-2013《高压电动机能效限定值及能效等级》标准正式发布。该标准的制订，为高压高效电机的发展制定了一个明确的目标。
电机在能量转换过程中产生的损耗一般分为定子铜损耗、铁心损耗、转子铜(或铝)损耗、机械损耗和杂散损耗等。电机效率提高的过程就是降低各项损耗的过程。一般电机的机械损耗约占电机总损耗的5%～8%，而在YKK系列高速高压电机中，机械损耗所占比例更高，甚至超过总损耗的10%。在此类电机中降低电机机械损耗是提高效率的重要途径。本文重点探讨YXKK高效率电机的通风系统结构和降低机械损耗的办法。
1 YXKK系列电机通风结构形式
YXKK系列电机为封闭式带空-空冷却器的三相异步电机，其风路有两个：内风路和外风路［1-2］。
1.1 YXKK系列电机的外风路
该系列电机外风路有两种形式：轴上自带风扇的IC611和冷却器带风机的IC616。
IC611冷却形式结构如图1所示。电机同轴自带外风扇向电机冷却器管中打入冷风，外风扇要产生额外的机械损耗。外风扇所产生风量、风压和消耗的机械功率与电机转速有很大关系，适用于中高速电机或调速范围不太大的变频电机。否则，影响电机散热。
图1 IC611冷却方式
IC616冷却形式结构如图2所示。电机不带外风扇，而在冷却器端面安装有轴流风机，通过风机将冷风打入冷却管中。这种优点是通过冷却器管中风与主电机转速无关，特别适用于低速电机和调速范围较大的变频调速电机。
图2 IC616冷却方式
1.2 YXKK系列高效电机内风路
内风路有两种形式：径向通风和径向—轴向混合通风。
(1)径向通风型式。这种结构是定子两端安装有两个导风筒，用于将机座两端的风导入内风扇和轴向通风孔，转子两端各带一个内风扇。有两个基本对称的循环风路(见图1、图2)，其特点是循环回路短，电机温升比较均匀，但由于受内风扇直径限制，风扇压力受限，常用于2极、4极、6极等转速较高的电机。
(2)径向-轴向混合通风型式。这种结构一般在转子传动端装一个大风扇，同时，轴上轴向通风孔在靠大风扇端堵死，使风从定、转子径向通风道中流过，以冷却电机最易发热的地方。机座上靠风扇进风处装有挡风板，防止漏风，并引导风流向大风扇进风口。其结构和风路如图3所示。
图3 径向—轴向混合通风方式
这种结构特点是内风扇直径可以做得较大，风压大，常用于8极、10极、12极、16极等低速电机的场合，但由于风路长，线圈铁心两端温升差异较大。
2 冷却器的设计
冷却器作为电机的热交换装置，其换热能力直接影响电机的冷却效果。合理选择冷却管直径、管数、排列方式及布置管间距对提升冷却器的散热能力具有重要作用。
2.1冷却管布置
冷却管不同层之间交叉排列(见图4)，全部冷却管通常排成矩形和M形。矩形的特点是冷却器高度较低，但使用管数较多，冷却管利用率较低。M形的特点是使用管数少，冷却管利用率较高，但冷却器较高，对电机高度有限制的场合使用须谨慎。
图4 冷却管布置图
2.2 冷却管管径、管数、管间距的关系
电机有内、外两个风路。从内风路看，由电机发热形成的热风都要从冷却管间流过，把热传递给冷却管，冷却管不能太少，否则，散热面积不够，冷却管间距也不能太小，数量不能太多，否则，由于风阻太大，即使使用较多冷却管，散热还是不好。从外风路看，通过冷却管中的风把冷却管间所有热风的热量带走，冷却管管径大、管数多，散热效果好。但在一定区域内，管径、管数、管间距相互矛盾，所以内外风路要兼顾，合理布置。下面为几个冷却管选取及排列示例。
排列1：管径Ф22mm；横向心距s1=30mm；纵向心距s2=30mm，管径与纵向心距比为0.7333；任意相邻三管中心构成的三角形面积与三角形内三扇形面积和之比(简称面积比，即图4中三角形与阴影部分面积比)为0.422。
排列2：管径Ф16mm；横向心距s1=22mm，纵向心距s2=19mm；管径与纵向心距比为0.7273；面积比为0.4841。
排列3：管径Ф26mm；横向心距s1=35mm；纵向心距s2=30mm，管径与纵向心距比为0.7273；管径与纵向心距比为0.7429；面积比为0.505。
计算和试验表明，在电机其他参数不变时，冷却效果排列1不如排列2，排列2不如排列3。由此看出，面积比接近0.5时散热效果最好。
2.3 冷却器设计计算
(1)冷却管数计算。
冷却器散热面积：
A=∑Pn/Jn (1)
式中：
∑Pn——需由冷却器带走的损耗，kW；
Jn——冷却器单位散热面积带走的损耗，kW/m2。
一般取0.6～1.2kW/m2，与通过的风速有关，风速越高，Jn越大。
冷却管数量：
N=A/π/d/L (2)
式中：
d、L——分别为冷却管的等效直径和长度，m。
(2)冷却风量由式(3)计算：
Q=∑Pn/(Cn*Tn) (3)
式中：
Cn——冷却空气比热，为1.05～1.1kW·s/(m3·K)；
Tn——冷却空气的温差，一般取10～18K。
(3)冷却管内冷却空气温差在计算冷却空气量和外风扇尺寸时已确定：
T1=Tn=∑Pn/(Cn*Q) (4)
(4)冷却管表面温差：
T=∑Pn/(A*α) (5)
式中：α——冷却器管的表面散热系数，与冷却器的结构、冷却管管径、长度、材质和吹拂冷却管的空气速度有关，一般可取106～280W/(m2·K)。
(5)冷却管内、外壁之间温差：
T3=∑Pn*δ/(A*λ) (6)
式中：
δ——冷却管壁厚，m；λ——冷却管导热系数，用铝或铝合金时，导热系数为180～220W/(m·K)。
(6)冷却器内部与环境冷却空气间的温差：
T=T1+Tn+T3 (7)
计算和试验表明，冷却管表面的温差一般为3～6K。同时，由于冷却管导热能力强，管壁很薄，其管壁温差很小可以忽略不计，因此冷却器内部与环境冷却空气之间的温差可按式(8)计算：
T=T1+3～6K (8)
3 风扇的设计
风扇的结构型式与电机效率密切相关，研究高效风扇是提高效率的一种有效方法［3-4］。对于YXKK系列高效三相异步电机，电机有内风扇和外风扇。
3.1 外风扇的设计
一般YKK系列三相异步电机采用径向离心风扇，这种风扇的损耗与转速的立方成正比。对2极、4极这样的高速电机，如果采用这种风扇，损耗将大大增加，严重影响电机效率。为此，YXKK系列高效电机通常采用后倾风扇。表1给出了径向、前倾、后倾三种叶片型式的风扇效率参考值。其中：ηf为风扇效率；η0为风扇空载时气体动效率；δ0为风量修正系数。
表1 风扇计算参数参考值
后倾离心式风扇主要由前盘、叶片及后盘组成。为了兼顾风扇性能和制造工艺，采用平前盘，叶片线型采用圆弧线。气体进入叶片时，靠近前盘处的气流速度明显大于靠近后盘处。对于无始端的叶片，将导致入口气流角沿进入叶片的宽度方向明显变小，形成较大的入口冲击，造成气流损失。为此叶片增加始端，可减小沿叶片入口的冲击，从而提高叶片的气动性能，如图5所示。其中：D1max、D1min及D1m分别为始端的最大直径、最小直径、平均直径；b为叶片宽度。
图5 离心风扇结构
始端尺寸以风扇基本内径尺寸为标准，有：
D1max=(1.01～1.05)Df1
D1min=(0.8～0.98)Df1
D1m=(D1max+D1min)/2 (9)
电机实际需要的风压：
p=pn*ηf/Q
根据后倾离心式风扇的特性，当其运行在最大效率点时，有：
式中：
n——电机额定转速，r/min；
ρ——空气密度。
风扇叶片的相对长度和叶片宽度对风扇性能都有很大的影响。为保证风扇有较好的性能，风扇叶片相对长度l：
叶片直径与叶片宽满足：
Df2=(1.1～1.5)Df1 (13)
据此，可算出Df1、Df2、b。
3.2 叶片数目的确定
叶片数目N和叶片厚度h对风扇性能存在着不可忽略的影响。对于后倾式离心风扇，采用经验公式为
为保证风扇具有较好的刚度，防止风扇运行中出现断裂、弯折等问题，叶片高度应不小于叶片中心高度处的叶间距，即满足：
3.3 内风扇的选型与设计
对于YXKK系列高效三相异步电机，为了提高电机效率和转子通风散热能力，一般采用铜条转子结构，电机带内风扇。
如果采用径向—轴向混合通风型式，那么，电机内风扇与外风扇类似。对2～4极电机，如对电机没有双向旋转要求，最好选用后倾离心叶扇。
对6极及以上电机内风扇，由于转速较低，风扇损耗较小，风压低，为提高风压，并同时降低风叶制造成本，可做成径向离心式风扇。
4 导风罩的设计
导风罩是把周围冷空气通过外风扇引入冷却器的通风道装置。为了减少风阻，通常在导风罩进风口和外风扇外环板之间安装一个喇叭形的导风筒。为了使吹到冷却器的风尽可能均匀，以更充分利用各冷却管，通常在导风罩内风转向处到冷却器之间设置有1～2个导风筒。如果导风罩在转角处采用圆弧过渡，导风筒也应采用圆弧过渡。
5 结语
YXKK系列高效率电机通风系统的设计是一项复杂的系统工程，设计时要注意以下几点：
(1)要根据实际情况采用适合的冷却方式，选择合适的风路结构。
(2)设计冷却器时，合理选择冷却管径、管间距。最好使任意相邻三管中心构成的三角形面积与三角形内三扇形面积和之比接近于0.5。
(3)对转速较高的电机，除非负载需要电机双向旋转，内风扇可采用轴流风扇或后倾风扇、外风扇采用后倾式风扇，以提高电机的效率。
(4)为了减少风阻，导风罩内在进风口和风扇间设置喇叭形导风筒，在风转向处到冷却器之间应合理设置导风板，使风分配尽可能均匀，以充分利用冷却管。
【参考文献】
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本文转自《电机与控制应用》2016年第10期
