耿治起

(上海电气集团上海电机厂有限公司， 上海 200240)

IC511冷却方式2极隔爆型三相异步电动机风路结构

耿治起

(上海电气集团上海电机厂有限公司， 上海 200240)

通过对IC511冷却方式2极隔爆型三相异步电动机风路结构特点的分析，对空空冷三相异步电动机风路试验数据的计算和分析，提出了对IC511冷却方式2极隔爆型三相异步电动机内风路的改进方案，并且对不同的改进方案做了对比试验加以验证。提出了一种适合IC511冷却方式大机座号电动机的改进型风路结构，为成功开发大机座号IC511 隔爆型高效率三相异步电动机提供了有利条件。

隔爆型电机；风路结构；通风道；轴流扇；隔风筒；冷却管；冷却方式；温升

0 引言

IC511冷却方式隔爆型三相异步电动机是我国主要防爆电机生产厂家于20世纪90年代初引进德国西门子公司的高压空空冷隔爆型电动机，广范应用于煤矿、石化、化工等可能含有爆炸性气体的危险场所环境，为国家的经济建设的安全生产做出了重要的贡献。IC511冷却方式的风路结构在我国防爆电机和非防爆电机上均得到推广和应用。近年来，这种IC511冷却方式的隔爆型电动机风路结构在我国的电动机上也得到了进一步优化和改进。这里仅对IC511冷却方式2极隔爆型三相异步电动机(以下简称电动机)的内风路的优化和改进进行介绍，以供参考。

1 通风结构

1.1 引进原电动机风路结构(见图1)

1. 内风扇； 2. 端盖； 3. 定子线圈； 4. 导风板； 5. 机座； 6. 冷却管； 7. 转子铁心； 8. 定子铁心； 9. 定子通风道； 10. 转子通风道； 11. 对称内风路及流道； 12. 外风路及流道； 13. 风扇罩； 14. 外风扇。图1 引进原电机风路结构图

外风路由机座、端罩和外风扇组成。外风扇搅动空气从机座的非轴伸端进风，由机座的轴伸端出风。机座为钢板焊接结构。冷却管分布在机座的铁心档和外壳之间，机座上冷却管沿径向360度对称均布。外风扇是单向钢板离心扇。端罩为钢板材料。

内风路采用径向对称内风路，由机座、端盖、内风扇挡风板、内风扇、转子轴向通风道、转子径向通风道和定子径向通风道组成。内风扇为钢板焊接的圆弧面扇叶轴流扇。内风扇带隔风筒，使内风扇产生的风量主要对定子线圈端部散热。内风扇轮上开有轴向通风孔，使流经转子通风道的风量能够通过。定、转子铁心均设有径向通风道，铁心和通风道宽度分段是按40 mm、10 mm间隔排列。电动机每一端的内风路都是两条并联的风路。一条内风路为:由轴流内风扇形成的风量经过定子线圈端部,对定子线圈端部进行冷却后形成热风,热风进入机座冷却管降温后形成凉风,凉风再经过轴流扇重新循环。另一条内风路为：由转子径向通风道形成的风量经过定、转子铁心通风道,对定、转子表面进行冷却后形成热风,热风进入机座冷却管降温后形成凉风，凉风再经过转子径向通道重新循环。

IC511冷却方式隔爆型电动机的结构优点：

1) 机座的外壳横截面为圆形，圆形框架结构的外壳承受内部爆炸压力的性能更好，有利于空空冷隔爆型电机往大容量和大机座号方向发展。

2) 内风路径向360°对称分布，比IC611冷却方式电机的内风路对称性更好、风道路径更短、风阻更小；

3) 电机为前后对称内风路，对称内风路比单向内风路的电机更有利于铁心和线圈的平均散热，电机铁心和线圈的温度分布更均匀；

4) 对称内风路比单向内风路的通风损耗小。

IC511冷却方式隔爆型电动机的结构缺点：

1) 因机座下部设置有冷却管，因此相同规格的电机机座号要比IC611冷却方式箱式电机机座号大；

2) 由于受电机外形尺寸的限制，机座上的冷却管数量比风路结构类似的IC611箱式电机少，所以对电机的通风散热条件提出了更高的要求，需要更适合这种结构形式的通风散热设计；

3) 随着机座号的增加，通风管散热面积的增加远不及功率增加的快，机座的散热能力相应降低较多，因此大机座号电机需要更大的风速、更大的机械耗才能保证电机的良好散热； 所以大机座号电机必须做到机械耗和电机容量的合理匹配，才能设计出性能合格的高效率电机。

1.2 优化内风扇的电动机风路结构(见图2)

1. 内风扇； 2. 端盖； 3. 定子线圈； 4. 导风板； 5. 机座； 6. 冷却管； 7. 转子铁心； 8. 定子铁心； 9. 定子通风道； 10. 转子通风道； 11. 对称内风路及流道； 12. 外风路及流道； 13. 风扇罩； 14. 外风扇。图2 优化内风扇的电动机风路结构图

对我公司空空冷2 800 kW 10 kV对称内风路的电机风路数据进行试验测试，风路试验数据见表3。经过对试验数据的计算，电机温度场数据分布见表4。

表3 风路试验数据

表4 温度场数据 K

由表4可以看出，外风路对电机温升的影响数值仅为9.5 K，内风路的温升数值占电机温升的86%。另外电机热量损耗主要集中在电机的定转子铁心部位，因此优化电机风路的重点是加强内风路铁心部位的通风和增加其散热面积。而引进原电动机风路结构中轴流内风扇仅能对线圈端部进行散热，对定子铁心的散热几乎不起作用，没有充分发挥出轴流扇风量大的特点。因此需要对引进原电动机风路结构进行优化。

图2的优化内风扇的电动机风路结构是在图1的基础上仅对内风扇的结构进行了优化，图3是原引进电动机的内风扇结构图，图4是对图3优化后的内风扇结构图。图4仅仅是将图3中序号4通风孔和序号5隔风筒取消，其它结构和尺寸完全同图3。

通过改进轴流内风扇的结构，使电动机内风路得到重新布置。电动机每一端的两条并联内风路均变成了混合并联内风路。将轴流扇形成的静压和动压直接作为转子通风道的起始风压，使转子通风道形成的风压与轴流扇形成的风压相叠加，大大提高了定、转子通风道的流速，增强了铁心的冷却效果，增强了电机内部通风散热能力。在同一台电机上分别采用以上两个内风扇做温升对比试验，采用改进后的新内风扇，电动机的温升降低了6 K，电动机的机械耗几乎没有任何变化。

优化内风扇的电动机风路结构与引进原电动机风路结构相比优点如下：

1. 扇叶； 2. 风扇筒； 3. 风扇套； 4. 通风孔； 5. 隔风筒。

图4 新内风扇

1) 在减少通风用零件的情况下，提高了电机散热能力。

2) 在未增加通风损耗的情况下，提高了电机散热能力。

3) 取消了两个挡风筒，减少了原材料费用和相应的焊接费用。

4) 取消了原内风扇上的轴向通风孔，减少了相应的加工费用。

5) 采用混合并联内风路，充分发挥了轴流内风扇风量大的特点。

1.3 带挡风筒的电动机风路结构(见图5)

1. 内风扇； 2. 端盖； 3. 定子线圈； 4. 导风板； 5. 机座； 6. 冷却管； 7. 转子铁心； 8. 定子铁心； 9. 定子通风道； 10. 转子通风道； 11. 对称内风路及流道； 12. 外风路及流道； 13. 风扇罩； 14. 外风扇； 15为挡风筒。图5 带挡风筒的电动机风路结构

在内风扇优化的电动机风路结构(见图2)中，流经定转子通风道的风路长、风阻大，而流经定子线圈处的风路短、风阻小，将导致内风扇产生的风量过多的从线圈端部的风道通过，而电动机的热量主要集中在电动机的铁心部位，因此应增加线圈端部的风阻，减少流经线圈端部的风量，使流经线圈端部的风量与其带走的热量相匹配。

图5的电动机风路结构是在图2的基础上仅对机座上位于线圈端部的进风口结构进行了优化。在该进风口处增加了挡风筒，使该处的进风口减小,其它结构和尺寸完全同图2。

通过在机座上位于线圈端部的进风口处增加挡风筒，增加了流径定子线圈端部风路的风阻，使两条内风路的风量得到重新分配，减小了流经定子线圈端部的风量，相应增大了流经定转子铁心部位的风量。实现了内风路的两条风路的风量与其带走的热量成正比，从而增强了铁心的冷却效果，增强了电机内部通风散热能力。在同一规格的电动机上分别采用以上两个风路结构做温升对比试验，采用图5带挡风筒的电动机比采用图2风路结构的电动机温升降低了5 K，电动机的机械耗差异非常小。

带挡风板的电动机风路结构与优化内风扇的电动机风路结构相比优点如下：

1) 在增加很少原材料的情况下，电动机的温升降低了5 K，电机散热能力显著提高。

2) 在未增加通风损耗的情况下，提高了电机散热能力。

3) 实现了内风路的两条风路的风量与其带走的热量成正比。

带挡风板的电动机风路结构与优化内风扇的电动机风路结构相比缺点是增加了两个挡风筒，即增加了少量原材料和焊接费用。

1.4 改进型电动机风路结构(见图6)

1. 内风扇； 2. 端盖； 3. 定子线圈； 4. 导风板； 5. 机座； 6. 冷却管； 7. 转子铁心； 8. 定子铁心； 9. 定子通风道； 10. 转子通风道； 11. 对称内风路及流道； 12. 外风路及流道； 13. 风扇罩； 14. 外风扇； 15. 为挡风筒。图6 改进型电动机风路结构图

由于大机座号IC511冷却方式电机机座的散热能力降低较多，电机需要更大的风量、更大的机械耗才能保证电机的良好散热。其中通风损耗占电机总损耗的40%以上，给大容量隔爆型高效率电动机的开发带来了很大困难。因此需要进一步提高大机座号电机的通风散热能力。

图6的改进型电动机风路结构是在图5的基础上对内风扇的结构、定转子的通风道结构作了改进。

内风扇由钢板焊接的圆弧面扇叶轴流扇改为机翼形扇叶铸铝轴流扇。在有限的空间内，使内风扇具有更高的通风效率，产生更大的风量。

定、转子铁心仍然具有径向通风道，但铁心和通风道宽度分段由40 mm、10 mm分别改为按24mm、6 mm进行排列。在不改变定、转子径向通风道总宽度的情况下，电动机定、转子通风道处的散热表面积增加了70%以上。根据热力学公式(1)可知，电机的传热能力与其通风散热面积成正比，因此定、转子铁心散热能力得到极大的提高。

(1)

(2)

式中：Δθ表面散热温差(K)；P冷却功率(kW)；a散热系数(kW/m2·K)；S散热面积(m2)；V风速(m/s)；

改进型电动机风路结构与带挡风板的电动机风路结构相比优点如下：

1) 电动机定转子通风道处的散热表面积得到大幅度增加，提高了电机的散热能力。

2) 通过增加散热面积提高电机的散热能力，避免了因提高电机散热能力而引起通风损耗的增加，有利于开发大容量高效率电动机。

3) 机翼形扇叶轴流扇比圆弧板扇叶轴流扇具有更高的通风效率。

4) 电机的散热能力得到显著提高，有利于减少电机的电磁材料的用量。

改进型电动机风路结构与带挡风板的电动机风路结构相比缺点如下：

1) 通风道数的增加，引起了通风槽板使用数量增加，增加了通风槽板的加工工时。

2) 机翼形扇叶铸铝轴流扇设计难度较大，且轴流扇模具费用相对较高。

2 结语

本文主要介绍了IC511冷却方式2极隔爆型三相异步电动机的内风路的优化和改进。随着电机技术的发展和进步，随着电机风路计算和分析软件的应用，电机的风路结构设计将更加合理，将推动我国电机产品技术不断向前发展。

耿治起，男，1974年生；毕业于合肥工业大学，高级工程师，现从事电机设计工作。