室内用大型电动机导热系统探索与改进

李林华 张建波 刘东全 周明仙

摘要：滇中有色GM65H-3离心鼓风机自投运以来，由于安装厂房空间受限，设备产生的热量使用强化换热轴流风机进行换热，但无法满足现场的散热需求，到夏天气温高时室内温度高达42℃，对电气设备安全运行带来了严重威胁。通过对室内发热设备发热量及强制换热的计算，对电动机的结构原理、内部散热原理进行分析，最终利用电动机内部强制换热导风系统压力优势将热风排风口收集、导风到室外，有效的解决了由于电机热量在室内恶性循环导致设备厂房整体升温的情况。最终实现了设备运行环境良好，能耗降低的双重收货，促进了通过设备改进推进企业安全、环保、节能发展。

关键词：大型电动机;离心鼓风机;厂房散热;强化换热;导热系统

中图分类号：TG355.1+8                                文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）07-0084-02

0  引言

随着科学技术的发展，精密仪器仪表逐步代替了人工对设备运行的监测，高温使用环境对普通电气监测设备安全运行带来了较大的隐患。滇中有色离心鼓风机厂房内安装了3台型号为GM65H-3的离心鼓风机，电机装机功率为1800kW，风机转速为13121转/min，配套温度、振动、流量、压力等在线监测装置。3台设备共同安装在一间半密闭的厂房内，由于厂房设计较紧凑，设备产生的热量较高，虽然采取了部分散热手段，但是仍然不能有效解决室内温度高的问题，每年夏季均存在设备由于环境温度引起的异常报警，给设备安全运行带来了隐患。对如何解决厂房内温度高的问题，已经成为公司迫不及待的攻关项目，本文结合实际对室内大型电机的导热系统进行了探索及改进。

1  强制通风散热需求计算

1.1 通风机组通风量计算

对于通风机机组而言，主要需散热的设备是电动机，因此计算风量按电动机散热量考虑。

电动机散热量（kJ/h）按式（1）估算：

Q=860·N·（1-η）          （1）

式中：N—电动机的额定功率，kW;η—额定功率时的电机效率，%。

根据经验公式计算可得电动机散热总量为：4179600kJ/h。

1.2 大型鼓风机机组通风量计算

鼓风机散热量（kJ/h）

Q=Nf·860·hf                              （2）

式中：Nf—鼓风机轴功率，kW;hf—散热系数，一般取hf=0.01～0.02，取值0.02。

根据经验公式计算可得鼓风机散热总量为：92880kJ/h。

1.3 散热所需的通风量（m3/h）

（3）

式中：Cp—空气比热容，一般取Cp=1kJ/（kg.℃）;σ进—进风口处空气密度，kg/m3，取值1.293;Δt—隔声罩进出口处的空气温度差，Δt=t排-t進，Δt一般取15～30℃，取值20。

根据经验公式计算可得散热所需通风量为：165215.8m3/h。

根据厂房局限性，按照50%的有效导热性能计算，最终强制通风量需确保330431.6m3/h才能保证强制换热效果。

根据计算公式可以看出，鼓风机的散热量2.2%，在整个散热研究过程中，可以忽略不计，因此，以下研究重点为电机发热量的强化换热。

2  电机温度分布分析

在温度场分析中，采用流固耦合传热分析方法，散热系数由有限元计算迭代决定，以提高端部绕组及定转子温度场计算的准确性。同时，在本次研究过程中，假设定子铁心损耗与绕组铜耗分布均匀，通过流固耦合仿真可得定子与绕组绝对温度分布云图，结果如图1所示。定子轴向温升分布也不均匀、绕组平均温升明显大于定子，所有热负荷均集中在电机定子及绕组。

若轴向风道与气隙处为冷却气体入口，温度较低，按照常温（25℃）计算，冷却气体在从转子幅板流向定子背部的过程中，温度逐渐升高，总体来讲，冷却空气的温升较低。定子绕组由于有2.1mm厚云母带且发热量较大，温升最高。结果如图2所示。

以上综合分析可以看出，电机在运行过程中，所有热负荷均集中在电机中部，即定子铁心和定子绕组最集中的区域。转子、气隙、定子、绕组温度分布，通过电机内部强化换热后与轴向流体分析速度云图分析基本一致，证明风机内部换热系统对自身热交换起到较大的作用。

3  通风方式的选择

3.1 现场强制排风风机的选择

由于现场位置受限，能够按照强制通风机的位置只有6个点位，按最大安装尺寸选择，现场具备安装条件的风机风量为25000m3/h/台，则风机强制排风量为150000m3/h，与实际需求330431m3/h相差甚远。

3.2 自排系统探索与改进

如何恰当地使罩外空气均匀地流过散热设备，将其热量带走，以免发生高温不散、烧坏设备现象，必须进行人工有组织的空气流动，将热空气尽量排除室外，使用室外的冷空气进入发热设备内部，经过与发热设备热交换后，热空气从上部出口排出。通过对电机结构的研究，该电机整体结构及电机散热结构原理如图3所示。

通过对电机及散热结构的研究发现，电机的散热进风口为电机前后端，排风口为两侧面，内部散热为强制进排风，根据通风原理，结合厂房实际情况，现场完全具备安装导风罩及风管的条件。为进一步对电机导热系统的研究，对现场进行了改进，在电机的两侧面增加散热收集导风罩，在导风罩出口安装导风管道，将热风从电机出口直接导至室外，如图4所示。

4  现场试验及数据对比

4.1 改进后设备热量分布测量

通过对电机导热系统进行探索、改进，正常投入运行后，对电机的热量分布进行热成像仪成像分析，电机定子、转子区域的热量明显低于导风罩的温度，导热系统的改进将电机内部的热量通过电机自身的排风系统及改进的导热系统有效的输送机传递，有效的解决了由于电机热量在室内循环导致设备厂房整体升温的情况。

4.2 改进后设备厂房的温度对比情况

通过厂房同一时间段的测温记录进行对比，可以看出厂房温度从2019年6月份的最高温度41.6℃降低至37.1℃。如表1所示。

5  结论

通过对离心鼓风机厂房内3台GM65H-3的离心鼓风机电机导热系统安装完成后，对设备内部的集中温度的转移，室内温度、机组运行温度及电机负荷均有好处，达到了设备安全运行，能耗降低的双重收益。在后续的生产过程中，将电机导热系统作为新设备采购的重要设施进行参考，同时对具备改造条件的室内大型电机进行逐步的改造，为设备安全运行及环保节能做出贡献。

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