1、2023年第3期 31 摘 要：文章介绍了一种采用复合风路的全封闭扇冷式（TEFC）电机。通过在普通TEFC电机筋冷式机座上四个圆周均布的通风道内，增设若干圆形冷却管，从而以从外风扇处导入冷却风的形式，提升内循环的热交换容量；通过在筋冷式机座圆周均布的散热筋之间的楔形空间中增设冷却管，提升外风路的热交换面积。复合风路的应用有效提升了TEFC电机的散热能力，大幅提升了TEFC电机的功率密度。关键词：复合风路筋冷机座冷却管内风路外风路 中图分类号：TM302 文献标志码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006-2807.2023.03.008 Abstract:Akindoftot
2、alenclosedfan-cooled(TEFC)motorwiththecompositewindpathisintroducedinthispaper.Throughaddinganumberofroundcoolingtubesinsidethefourventilationchannelscircumferentiallyandevenlydistributedontherib-cooledframeoftheordinaryTEFCmotor,theheatexchangecapacityoftheinternalcirculationisincreasedbyintroducin
3、gcoolingairfromtheexternalfan.Theheatexchangeareaoftheexternalwindpathisincreasedbyaddingcoolingtubesinthewedgedspacesbetweenthecircumferentiallyandevenlyspacedcoolingribsontherib-cooledframe.TheapplicationofthecompositeairpatheffectivelyimprovestheheatdissipationcapacityoftheTEFCmotorandsignificant
4、lyincreasesthepowerdensityoftheTEFCmotor.Keywords:compositeairpathrib-cooledframecoolingtubeinternalwindpathexternalwindpath全封闭扇冷式电机风路优化设计吴 泰王 猛沈 熙 武汉奥特彼电机有限公司（430220）Optimization Design of Wind Path of Total Enclosed Fan-cooled MotorWU Tai WANG Meng SHEN XiATBMotors（Wuhan）Co.,Ltd.（430220）普通筋冷式紧凑TEF
5、C电机，尤其是大功率电机，受其铸件模具和自身风路结构限制，功率升档和功率密度的提升效果往往达不到预期，导致产品换代跟不上市场拓展需求。本文旨在通过对TEFC电机的内、外主风路进行升级，即在内、外部风路中开辟复合风路，提升电机的散热能力，从而使TEFC电机的功率在原有基础上再提升23档，提高电机单位体积的功率密度，进而满足市场对TEFC电机提功率、降中心高的需求，提升TEFC电机的产品竞争力。1 普通TEFC电机风路介绍1.1 普通TEFC电机风路 普通TEFC电机风路如图1所示。电机内的一部分热量经定子铁心外表面与筋冷式机座内表面过盈配合处传导；另一部分热量靠图1中的内循环风路进行内外部热交换
6、。内部冷却介质空气在内风扇（离心风扇）的动力作用下实现内循环，内风扇鼓动电机内部的热空气从位于机座圆筒后端的四个按圆周均布的风口，进入同样角度圆周均布的四个通风槽钢，在通风槽钢内与电机外部进行热交换。冷却后的空气从机座圆筒前端的四个圆周均布的风口进入电机内腔，一部分冷风冷却前端的绕组端部，穿过电机的气隙，冷却定子铁心内表面和转子铁心外表面；另一部分冷风穿过转子通风孔，从内风扇甩出热风，进入下一循环。外循环风路如图2所示，冷却风自外风罩经外风扇吸入后，通过导风锥导入圆筒形机座 32 2023年第3期的散热筋的楔形空间，吸收从电机内部传导的热量后，热风从轴伸端排放到大气中，周而复始。TEFC电机的
7、散热方式主要为热传导和强迫对流换热。热传导方面涉及机座、端盖散热筋总散热面积、定子铁心外圆与机座内圆的接触面积及配合的松紧程度；强迫对流换热方面涉及内外风扇的容量、转子轴向通风孔的截面积及通风孔周长、电机内外风扇的风量风压匹配程度、风罩导风效率、内外风路风阻的大小1。优化设计通常从增加筋冷式机座的散热筋的散热面积、优化前后端盖内外表面散热筋、优化转子风孔、增大电机气隙、优化电机内外风扇等方面，多维度提升电机的热交换能力1。子导条的损耗降低也相对明显，虽然定子铜耗略有增加，但总体而言，随着气隙增大，电机的总损耗降低较为显著。增大气隙能够在一定程度上降低电机温升，但需注意的是，增大气隙也会导致激磁
8、电流增大和功率因数降低2。1.2.2提高内风扇的换热容量 在没有增加内风路换热面积的情况下，当风扇换热容量提升到临界值后，电机温升不降反升。这是因为提升内风扇换热容量时，散热面积没有增加，而内风扇自身的机械损耗增加；同时内风路由于风速提升和风量增加，导致摩擦损耗增加。1.2.3转子通风孔的优化 转子通风孔的设计原则是通风孔总面积和通风孔内表面散热面积尽量大，通风孔形式、风孔的大小及数量、分布方式都要合理，同时需考虑转子轭及风孔周边机械强度满足要求。优化转子通风孔时，需通过磁场分析综合评估，防止转子齿、轭、风孔附近的磁密陡增、激磁电流增大、功率因数降低；需要通过损耗分析，防止风孔增大导致的定、转
9、子铜耗及铁耗的总和增大的隐患2。简言之，风孔的优化受电机电磁负荷、电气性能参数要求限制比较明显，这是风孔优化的瓶颈所在。2 采用复合风路的TEFC电机 采用复合风路的TEFC电机是在普通TEFC电机内、外风路的基础上，采用复合风路大幅提升内、外循环风路的热交换面积，进而充分利用内、外风扇的热交换的容量潜能。通过内、外循环风路的换热面积与内、外风扇的换热容量高度匹配，来提升电机换热容量，从而提升电机的功率密度，为同功率设计降中心高和同中心高提升电机最大功率创造条件。2.1 TEFC电机复合内循环风路2.1.1 TEFC电机复合内循环风路介绍 复合内循环风路如图3所示，新增风路将1.2 普通TEF
10、C电机风路优化的瓶颈 若普通紧凑型筋冷TEFC电机内循环散热能力不足，那么即使提升外循环的散热能力（如加大外风扇容量），在散热能力提升到一临界状态后，再增大风扇换热容量，不仅会增加机械损耗，而且还不能降低电机温升；而内循环的散热能力主要通过加大气隙、提高内风扇的换热容量、优化转子风孔等方式进行提升。1.2.1气隙优化 增大气隙是降低电机温升的有效措施。随着气隙增大，电机转子表面损耗和铁耗减小，转图2 普通TEFC电机外循环风路散热筋风罩外风扇集风器图1 普通TEFC电机风路A-AA进风出风加脂管通风槽钢机座圆筒前法兰转子后端盖 装配 风罩有绕组定子铁心筋冷机座前轴承装配风口A主接线盒2023年
11、第3期 33 外界冷风由风罩导流锥导入外风扇入口，经风叶旋转离心甩出，由风罩内的挡风板导入机座上圆周均布的四个通风管道内的冷却管，带走风路中从通风槽钢穿行的热风传递来的热量，并从电机驱动端排放到电机外部大气中。内循环新增风路分流了内循环风路需要转移的热量，降低了内循环风路的热交换负担，提升了电机的热交换能力。新增风路通过增设冷却管将内循环的热量分流到外部，直接将内部热量排放到外部，提升了内部热量排放的效率，突破了内循环风路散热能力的瓶颈，提高了电机内部通风散热容量，降低了电机的温升，为电机提升容量开辟了新的路径1。散热能力下降较多，反而抵消了新增风路的散热能力。设计时，还应考虑冷却管的数量、管
12、间距、管径大小、冷却管的分布方式，达到在有限空间里风阻最小、通风散热面积最大、冷却管总散热面积最大，形成最佳组合。如图3所示，由于定子引出线需从通风槽钢的一端风口（入口）引出到主接线盒，因此需减少此处通风槽钢空间内的布管数量，留足定子引出线的穿行空间和循环风的流通空间，避免局部风阻过大和风速降低过快。为加强对冷却管的固定及防护，防止冷却管振动生热、松动、渗漏或吸入灰尘，需于四个圆周均布的通风槽钢的前、中、后端焊接穿管板，前端和后端的穿管板与冷却管采用胀管及胶粘工艺，达到防护与固定的要求，穿管孔与冷却管之间留有合适间隙，以满足装配要求。2.2 TEFC电机复合外循环风路2.2.1 TEFC电机复
13、合外循环风路介绍 复合外循环风路如图4所示，除具有普通TEFC电机采用的外循环风路外，还新增了风路，电机外部自然风（冷风）在外风扇的动力作用下从风罩的进风网板、集风器吸入，经风罩内的导风锥导流进入特殊筋冷机座上圆周辐向分布的散热筋形成的楔形空间中的冷却管（图5），冷却管将散热筋从电机内部传导和吸收的热量，传递给方形冷却管中的空气，热风从冷却管的轴伸端位置散发出来。2.1.2 TEFC电机复合内循环新增风路设计要点 采用复合风路的TEFC电机，需要仔细匹配通风槽钢的截面积，通风槽钢高度与宽度的增加，有利于排布足量的冷却管；但通风槽钢高度的增加会受到电机径向尺寸的限制，而通风槽钢宽度增加时，需要综
14、合考虑优化机座径向分布的散热筋数量和散热筋的厚度、高度、角度，即保证散热筋的有效散热面积不受影响，否则会导致图4 TEFC电机复合外循环风路轴伸端特殊筋冷机座风罩前法兰图5 TEFC电机外循环风路中安装冷却管点焊管托架冷却管散热筋序1管托架t3图3 采用复合风路的TEFC电机II穿管板EE预留穿管间隙通风槽钢冷却管散热筋冷却管通风槽钢 穿管板胀管胶粘I槽钢内通风详图33IIICCC-C前轴承装配有绕组定子铁心转子后端盖装配 风罩特殊筋冷机座前法兰进风出风主接线盒电缆穿行空间 34 2023年第3期 新增风路铺设的冷却管数量，根据电机的换热需求进行增减。相比普通TEFC电机的外循环风路，新增风路
15、成倍数提高了外循环风路的散热面积，大幅提升了外循环风路的散热容量和散热能力，为TEFC电机降温升、降机座中心高、提升同中心高电机最大功率档次提供保障。2.2.2 TEFC电机复合外循环风路设计要点 复合风外循环风路的设计重点是最大限度利用机座散热筋间的有限空间，排列布置最优数量和最佳口径周长及壁厚的冷却管。管径的选择与排管需遵守等流速的场协同原理，通过合适的排列有效地降低冷却器的风阻，改善通风管道的冷却流场，在有限的体积下提升换热功率。如图6所示，冷却管点焊于散热筋间的管托架，相互隔离并固定；管托架焊接于每个散热筋楔形空间轴向前、中、后位置。图6中冷却管一侧紧贴散热筋，快速吸收电机内部传导出来
16、的热量，快速扩大散热筋与电机机座圆筒的温差，从而加速电机内部的热量传递，并通过冷却管中的冷却风快速将热量从轴伸端排至大气中。根据实际经验，外风路的进、出风温差不宜超过15 K，这也比较符合新增风路类似电机中空-空冷却器对进出风温差不宜超过22 K的上限要求；对流传热实践表明，湍流时的换热系数大于层流，提高冷却介质流速可以增大雷诺系数，增强湍流度，有利于对流散热，因此，复合风外循环风速达到15 m/s时，散热比较理想3。3 采用复合风路的TEFC电机散热能力验证 对四款Y2-355-4IP55电机进行叠频温升试验，结果见表1。由表1可知：新增风路约能够降低温升8 K，通过类比推算，新增风路约能够降低温升8 K；在内风路新增复合风路和在外风路新增复合风路后，电机的总体温升能够降低近20 K。这足以在一定限度内通过优化电磁设计，节约电机所需的有效材料，降低成本，提升电机的最大功率档次，是比较理想的降温升、提功率的方法。表1 四款Y2-355-4 IP55电机温升对比序1234功率/kW300335280400冷却方式IC411IC416IC411IC411风路热负荷/(A2/cm3)9681
