紧凑型高压异步电动机转子轴向通风孔优化设计

董立云

摘 要：为追求小体积等结构优势，紧凑型高压异步电动机温升问题一直存在。文章以某国产6kV紧凑型高压高效三相异步电动机Y2-6305-12电机为例，对转子轴向通风孔优化设计进行研究。文章尝试在不改变Y2-6305-12其他参数条件下，仅通过优化转子轴向通风孔，达到改善该型号电机整体冷却能力、实现电机温升控制的目标。最终结果表明，在一定条件下通过增大转子通风孔内部与空气对流的接触面积，能够达到优化设计目的。

关键词：紧凑型高压异步电动机;Y2-6305-12;转子;控温优化

中图分类号：TU411.7 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2021）08-0140-03

Optimization Design of Rotor Axial Vent of Compact High Voltage asynchronous Motor

Dong Liyun

（Xi an Medical College， Xi an 710016， China）

Abstract：In order to pursue the structural advantages of small size， the temperature rise problem of compact high-voltage asynchronous motor has always existed. In this paper， the optimal design of rotor axial vent is studied by taking a domestic 6kV compact high voltage and high efficiency three-phase asynchronous motor Y2-6305-12 as an example. This paper attempts to improve the overall cooling capacity of this type of motor and achieve the goal of temperature rise control of the motor only by optimizing rotor axial ventilation holes without changing other parameters of Y2-6305-12. The final results show that the optimal design can be achieved by increasing the contact area between rotor vents and air convection under certain conditions.

Key words：compact high-voltage asynchronous motor; Y2-6305-12; rotor; optimization of temperature control

0 引言

緊凑型高压异步电动机结构简单、刚性好，是当前电机市场主流产品。然而，随着电机技术的发展，这种结构紧凑、体积小的电机却一直受限于自身结构特征而无法实现有效的温升控制。紧凑型高压异步电动机温升控制方法、技术等，也始终是电机研发领域重点攻关方向之一[1]。出于通风散热需求，紧凑型高压异步电动机在实际作业过程中，均需要在电机转子轴向开设通风孔，为实现电动机整体冷却能力提升，通风孔的形状、排列规律、数量、直径等均会对电机轴向通风效果产生影响。本文以某国产6kV紧凑型高压异步电动机为例，对该电机轴向通风孔进行优化设计，旨在不改变该电机其他参数条件下，获得电动机温升控制能力的提升，实现电动机较高的材料利用率，提升作业可靠性。

1 Y2紧凑型高压异步电动机

Y2-6305-12紧凑型高压异步电动机（以下简称Y2）为西安电机厂Y2系列6kV高压三相异步电机。Y2定额频率为50Hz，额定电压为6kV，防护等级为IP54，冷却方式为IC411，具有体积小、结构紧凑、高效、节能、噪音低、振动小，重量轻、性能可靠、安装维修方便等优点。这为本文的转子轴向通风孔优化奠定了基础。Y2一般性能指标如表1所示。功率3kW以下接法为Y接法;其他功率均为△接法。

2 轴向通风孔优化设计

2.1 Y2-6305-12电动机结构

Y2系列电机机座外轮廓呈四方形兼圆形，散热片呈垂直，水平平行分布，全部采用铸铁结构，内部风路流动方向如图1所示。该电动机装有一全封闭自冷风扇，其直径大于转子外径很多，因而需要采用轴向通风获得较高的通风效能[2-4]。系统作业时，热量主要借助通风孔在离心内风扇的作用下流至底机座由机座外散热片带走，其余小部分热量通过机座表面散热片由外风带走。然而，由于受轴向通风原理影响，该通风模块在用于轴向长度很大的电机中绕组结构时，容易导致绕组部分局部温度较高等问题，影响电机长期稳定工作，此时必须对通风孔结构进行优化，以适应不同场景对电动机的需求。

2.2 通风孔优化设计

根据Y2系列电机结构与电机内部风路流动方向分析，本文在假设电机基本结构不发生重大变化，其他参数基本保持不变条件下，通过优化通风孔结构实现电机转子冷却能力提升。按照李学武等（2020）[5]中有关通风孔对转子散热影响的分析，通风孔对转子散热能力影响主要体现在通风孔内表面与空气对流接触面积。因此，本文以3台Y2-6305-12电机为实验对象，通过不同的轴向通风孔设计变化获得最佳设计方案。实验3种方案关于紧凑型高压异步电动机转子轴向通风孔设计参数如表2所示。

其中方案Ⅰ与方案Ⅱ保持截面总面积相同，但孔数存在差异;方案Ⅱ与方案Ⅲ保持孔数相同但截面总面积存在差异;方案Ⅱ与方案Ⅲ则孔数、截面总面积之间均存在较大差异;其他指标所代表含义如图2所示。

按照式（1）、（2）对图2结构不同方案界面总面积、接触面积进行计算，得到表3所示3种方案，截面总面积与接触面积对比情况。

截面总面积=通风孔数量×单个通风孔截面面积

接触面积=通风孔数量×单个通风孔界面周长

×铁芯长

方案Ⅰ、Ⅱ通风孔截面总面积差距比例0.7，可视为相同，此时方案Ⅱ的通风孔内表面总面积（接触面积）较方案Ⅰ大约35.6%;方案Ⅰ、Ⅲ通孔数量、截面总面积均不同，方案Ⅲ最终得到的通风孔内表面总面积较方案Ⅰ大约54.9%;方案Ⅱ、Ⅲ通风孔数量相同，但方案Ⅲ最终得到的的通风孔内表面总面积较方案Ⅱ大约14.3%。尽管通风孔内表面总面积最大的为方案Ⅲ，但由于方案Ⅲ在增大通风孔截面总面积的同时会导致孔内风压降低，因此尚不能确定方案Ⅲ为最佳优化方案。

3 不同方案对电机性能总体影响分析

3.1 对电机磁场的影响

利用ANSYS Maxwell软件构建3种不同方案二维瞬态场模型。按照电机工作时间为1s秒条件对3种方案中通风孔对电机磁场的影响进行分析，构建图3所示的电机代表性位置磁密试验方案。

通过对图3所示各指标进行计算，得到表4所示3种不容方案下统一型号电机各位置磁密最大值。

由实验所得数据可知，方案Ⅰ、Ⅱ定子轭部、定子齿部、气隙、转子齿部四项指标数据值几乎完全一致;方案Ⅲ相同指标值中定子轭部、定子齿部磁密较方案Ⅰ、Ⅱ略高，气隙、转子齿部磁密较方案Ⅰ、Ⅱ略低，但相差不大，几乎可以忽略。根据电机铁芯损耗的计算方式可知，电机铁心损耗与电机工作频率的1.3次方、磁通密度平方、铁心重量之间的关系为正相关[6-8]。由于3个方案在该4项指标中数值相差不大，因而3个方案在电机铁芯损耗方面并没有明显差异。

3方案中通风孔对气隙磁密的影响需要充分考量基波、高次谐波等数据变化情况以及最大值情况，但表3中数据无法体现，需要重新进行傅里叶分解。

3方案在轉子轭部磁密方面表现出了较大差异性，因此需要针对该指标三项分指标对电机额定电流和功率因数的影响进行着重分析。

3.2 对电机气隙磁场的影响

假设3种试验方案中试验用电动机为额定稳态，在电机工作时间相同的条件下，对一个周期内3种不同方案电机气隙磁场进行傅里叶分解，结果表明，方案Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ气隙基波与高次谐波变化情况、极值情况、幅值情况几乎完全相同，而方案Ⅲ在高次谐波变化方面则较为明显，转子杂耗较方案Ⅰ、Ⅱ更高。

3.3 对功率因数的影响

为充分验证通风孔对紧凑型高压异步电动机散热控制等的影响，本文假设同时忽略3种方案中的定子阻抗，以获得理想状态下的近似等效电路。此时，对3种方案的功率因数角ψ进行计算，获得感应电机通风孔对功率因数的影响情况。ψ的计算方法如式（3）[9]：

其中，T为电动机工作周期（电机额定频率的倒数），通过该电机额定频率50Hz可出该电机转子工作周期为0.02s;?T为电机作业过程中定子电流I起始时刻与感应电压U起始时刻之间的时间差，计算方法为：

最终得到3种方案ψ值分别为ψⅠ=0.93，ψⅡ=0.93，ψⅢ=0.92;?TⅠ=77K，?TⅡ=69K，?TⅢ=64K。3种方案中，方案Ⅲ的功率因数值最低。因此，该方案的定子电流值为3种方案中最高，定子铜耗也较大。在通风孔截面总面积值为一变化值，通风孔数量固定时，方案Ⅲ因电机功率因数值降低而带来的负面效应较高。

4 结语

综上所述，对于Y2-6305-12紧凑型高压异步电动机而言，在其他额定频率等因素不变条件下，通过改变通风孔结构、通风孔数量等均能够显著影响电动机内部通风效能，3种方案最终的实测温升结果表明，方案Ⅲ尽管能够获得最低的温升效果，但由于增加了额外的铜耗和转子杂耗，厂家或产品研发部门需要根据自身产品定位、定价等进行实际选择。

参考文献

[1] 刘彦华，刘玉宝，孙庆玲，等.基于转子轴向通风孔尺寸及拓扑结构的电机性能研究[J].电机与控制应用2018，45（10）：82-88.

[2] 汤蕴璆.电机学[M].北京：机械工业出版社，2014.

[3] 陈世坤.电机设计[M].北京：机械工业出版社，2000.

[4] 孟大伟，李金箫，于喜伟.转子轴向通风孔对高压感应电机性能的影响[J].电机与控制学报，2020（1）：38-44.

[5] 李学武，任晓华，赵岩.2极紧凑型高压感应电动机转子轴向通风孔优化设计[J].电气防爆，2020（4）：26-29.

[6] 李海成，王庆东，尹志华.中小型笼型异步电机杂散损耗的降低措施[J].电机与控制应用，2015，42（4）：70-74.

[7] 熊万里，徐光帅，吕浪，等.高速大功率电机转子通风孔散热效率优化研究[J].机械科学与技术，2014，33（5）：735-740.

[8] 孟大伟，冯守智，何金泽.紧凑型高压三相异步电动机内风扇优化设计[J].防爆电机，2013，48（4）：1-4.

[9] 汤蕴缪，梁艳萍.电机电磁场的分析及计算[M].北京：机械工业出版社，2015.