电机散热系统中,哪些零部件对电机温升有较大影响?
2020-12-28 14:06:58 来源:电机技术日参
【哔哥哔特导读】集电环系统内部可与外部环境直接进行冷热空气循环的情况,集电环端罩通风窗口的数量和位置方向的设置至关重要,关系到冷却介质如何流通、循环补充及构造的热交换系统的换热效率,最终决定集电环系统温升将处于怎样一个水平。
电机运行过程中,定子绕组和转子是两个发热源,所发出的热量通过周围的介质向外辐射和传导,过程通过的所有物体都为热传递介质。
电机定子部分的机座是电机径向热量传递的和散热的重要媒介,与有绕组定子铁芯、端盖、轴承系统、风扇和风罩等共同构成电机的热交换体系。
封闭式电机外风扇所产生的风量,通过风罩、机座散热筋的约束,引导冷空气吹拂电机机壳表面带走电机各类损耗产生的热量,实现电机发热与散热的平衡,稳定在某一设定水平上(温升限制+环境温度+设计裕度=最高温度)。在实际应用过程中,风扇应与风罩相匹配,两者不能随意地被代替使用。
电机运行时,轴承系统会不同程度地发热,与定子绕组及转子部分发热水平不一样,存在相互间的热交换。因此,当绕组及转子部分产生的热导致其温度较高时,会导致轴承系统的温度升高,反之,当轴承系统因种种不良因素温度偏高时,也会导致电机绕组温升有所增加。轴承系统和绕组均有温升或最高工作温度上限值考核,如果突破考核限值,轴承系统面临的是工作寿命大幅衰减或崩溃,绕组不再能可靠运行或出现过载烧毁、着火放炮等严重电气故障。
导致电机轴承系统温升高的原因很多,在原来的文章中有相对详细的分析,在此不赘述。接下来重点探讨一下相关零部件对于轴承系统及绕组温升的影响。
对于防护式电机,端盖散热窗与机座散热窗的匹配非常关键。端盖散热窗为进风口,机座散热窗为出风口,理论上进风口与出风口面积相等时通风阻力最小。至于进出风口面积究竟该开多大合适,则应基于不小于壳体内风路最大截面为原则,通常按进出风面积大致相等的原则将进出风口尽可能开大即可。
对于封闭式电机,端盖的形状及散热面积,直接影响电机轴承系统及电机的整体散热效果。通常端盖形状设计原则为:可适当扩张内腔空间、有效加大外表面,满足客户或产品技术条件对外形尺寸的限制及安装接口尺寸的要求。
这一原则忽略了轴承散热这样一个极其重要的环节,导致法兰安装电机法兰端盖设计存在严重缺陷:轴承一部分完全包裹在电机壳体内,另一部分封闭在法兰端盖与配套设备间的空间里。若法兰端盖与配套设备间的空间因运行环境的限制必须密闭,意味着轴承散热条件的急剧恶化,因热量积聚导致轴承系统崩溃自然是不可避免的。鉴于这一情况,通用性电机法兰端盖设计应保证轴承散热至少有一条轴承、一定厚度的支撑壳体壁到外部运行环境的路径,确保任何运行工况下轴承散热情况等同于实验室状况。
在绕线式转子电机中,集电环系统的温升也会与电机轴承系统彼此相互影响。集电环系统作为一个相互独立的热交换循环体系,对轴承系统的影响可在产品开发初期显现,不会等到特定工况才爆发。所以,设计原则的确定侧重于产品更新换代的经验积累,质量控制的关注重点在于集电环材质、导电环表面粗糙度、导电环与接线螺栓的连接效果等。从质量控制的角度看,影响发热水平的因素有:碳刷、刷盒间的配合精度,碳刷材质及其与导电环间的接触面积、接触电阻,集流排、引接线等转子电流引出装置。如果全面考量集电环热交换系统,不仅要控制好以上发热因素,冷却介质的来源、流通路径、热交换循环动力、防护结构等一系列问题也必须有相应保障措施。
对于大型绕线式电机集电环,会在集电环上加工轴向孔,以改善该系统的轴向通风散热效果,必要时加装风扇作为热交换循环动力。集电环系统内部可与外部环境直接进行冷热空气循环的情况,集电环端罩通风窗口的数量和位置方向的设置至关重要,关系到冷却介质如何流通、循环补充及构造的热交换系统的换热效率,最终决定集电环系统温升将处于怎样一个水平。
集电环系统必须为独立的密闭空间,或者说防护等级高的情况,第一,要加强内部冷却介质循环动力,必要时加装内风扇,使内部各处温度梯度尽可能处于均匀过渡状态;第二,外部可借助电机主体散热风扇,也可设置独立风冷系统;第三,最好设置碳粉吹拂收集装置,避免发生碳粉集聚引起的环火故障。
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