YE3系列(IP23)三相异步电动机通风结构的研究与仿真分析*

金 晶, 王鸿鹄, 姚丙雷

(上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司,上海 200063)

YE3系列(IP23)三相异步电动机通风结构的研究与仿真分析*

金 晶, 王鸿鹄, 姚丙雷

(上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司,上海 200063)

介绍了YE3系列(IP23)三相异步电动机的通风结构设计。通过市场调研，样机试制验证，并采用Solidworks三维建模和Ansoft软件对不同通风情况进行模拟分析,最终确定了产品的通风结构。

三相异步电动机； 通风结构； 仿真分析； 试验

0 引 言

通风结构的不同会直接影响到电动机的运行性能[1]。在YE3系列(IP23)电动机的研制中[2]，有针对性地设计合适的通风结构，可以有效利用其自身较好的散热性能，在满足高效率的同时，适当提高热负荷的设计值，不仅能使电动机的温升处在合理可控的范围内，而且能节省电动机的制造成本，从而取得“降本增效”的效果。本文对不同的通风结构进行了解、分析和试验验证，采用Solidworks三维建模和Ansoft软件对不同通风情况进行模拟分析，还制造了样机进行验证，最终确定了该系列产品的通风结构。

1 不同通风结构的介绍

通过走访大量生产IP23电动机的制造企业，经了解其电动机通风结构大致可分为以下3种：

(1) 电动机的整体外形结构与封闭式电机结构非常相似。主要采用轴向通风方式，将后端盖镂空，电动机旋转以后，轴上自带的独立风扇，将冷却空气由后端盖抽入电动机内部，冷却空气通过机座与铁心的间隙、定转子间的气隙和转子通风道，最后经过热交换后从电动机的前端盖排出。电动机的整个机座是封闭的，纯粹靠独立风扇进行轴向通风。其缺点是一旦设计的铁心较长，电动机的散热会不均匀。另外，由于采用了独立风扇，电动机的机械损耗也会增大。

(2) 电动机的整体外形结构完全与Y系列(IP23)三相异步电动机设计相同。电动机旋转以后，由转子两端铸铝风叶(或者由两边独立安装的离心式风扇)产生风压，将冷却空气由左右两边的端盖端面抽入电动机内部，电动机的端盖内侧装有挡风板，起到导流的作用，使一部分冷却空气通过定子绕组端部进入，从机座出风，另一部分冷却空气通过转子通风孔进行冷热空气的交换，冷却转子，经过转子的径向通风槽，由机座侧面的出风口逸出。

(3) 电动机的端盖不参与通风，冷却空气只通过机座完成进风和出风。在电动机机座的两端分别有进、出风口，通过安装风机通风，冷却空气从靠近风机端的机座通风孔进入，迫使冷却空气从机座的另一端通风孔出风；或是采用较大的离心式风扇，冷却空气从远离风扇端的机座通风孔被抽入，从靠近风扇端的机座通风孔出风，从而对电机绕组进行热交换。

2 通风结构的试验验证

结合产品，对现有的YE2(ODP)-200L-4 45 kW、400 V/50 Hz电动机的通风结构进行适当改动，做了三种不同通风结构的试验验证。

1号样机采用轴向通风，冷却空气从电动机后部风罩进入，通过机座的轴向通风道、定转子间的气隙等来进行热交换，最后从电动机的前端盖排出。该通风结构与封闭式电机的相类似。2号样机的通风结构是将1号样机的前、后端盖的风口堵住，在钢板机座前后两侧各开2个进风口，在机座中间两侧各开1个出风口。3号样机采用前、后端盖端面进风，经由机座中间出风口排出的通风结构。由于2号样机在温升试验时温度过高，未能继续试验。现将1号和3号样机的试验数据汇总，如表1所示。

表1 不同通风结构的负载测试数据汇总

图1 3号样机现场试验

从表1可知，1号样机是带独立外风扇的通风结构；3号是在1号电机基础上，取消了独立外风扇，采用前、后端盖端面进风，经由机座中间出风口的通风结构，如图1所示。从试验结果看，1号样机与3号样机相比较，绕组的散热效果略好，但轴承温度较高。分析认为产生这种试验结果的原因是由于3号样机前、后端盖的开孔过大，使冷却空气始终在两侧轴承附近循环进出，并没有进入绕组铁心内部进行热交换，因此只是大大降低了轴承温度，而没有实质性地降低绕组温度。

通过试验验证分析，采用两侧端盖进风的通风结构只要设计的进、出风面积合理，并且电动机内部的通风结构能达到很好的热交换，对于电动机绕组温升及轴承温度都非常有利，而且如果电动机的功率增大，随着电动机的铁心变长，电动机是两侧对称出风，对电动机温升的影响肯定比带独立风扇的小。为了更好地分析两侧端盖进风、机座中间出风的通风结构，建立了三维模型并利用Ansoft软件进行仿真分析。

3 通风结构的仿真分析

采用Solidworks软件建立三维模型，如图2所示。

图2 YE3系列(IP23)电动机模型

电动机端盖上开4个窗口，其中两个进风口在端盖下半部偏上(见图2中的1和2进风口上)，另两个进风口在端盖下底部(见图2中的3和4进风口下)；在前、后端盖内侧安装具有导流作用的挡风板；在电动机机座的中下部开左右对称的出风口(图2中显示的为右出风口1～4)；在机座内部分布有轴向筋,既起到支撑固定铁心的作用，又形成了导风通道便于机座内部空气的热交换。

采用Ansoft软件, 对不同通风情况进行模拟分析。由于电动机沿轴向基本对称，所以可以取电动机轴向的一半作为模型来进行流体场的计算和分析。利用三维模型建立的空气包如图3所示，流体场如图4所示。

图3 半个电动机的空气包模型

图4 空气包的流体场分布

图4是同步转速为3 000 r/min时的流体场分布。从图4可知，除了转子中心位置处由高转速形成的流速比较快以外，其余机座端盖处的空气分布还是很均匀的，流速也大致在一个相对比较稳定的范围内，机座左、右两侧出风口的出风量也几乎相等。

当同步转速为3 000 r/min和1 500 r/min时，电动机有、无挡风板的流体场情况，如图5、图6所示。

图5 同步转速为3 000 r/min时有、无挡风板的流体场

图6 同步转速为1 500 r/min时有、无挡风板的流体场

从图5可知，通过出风量的对比，发现同步转速为3 000 r/min时，有挡风板的电动机出风量约为无挡风板的3.3倍；从图6可知，同步转速为1 500 r/min时，有挡风板的电动机出风量无挡风板的1.8倍。

从图6可知，当同步转速为1 500 r/min时，有挡风板的转子风叶处的空气有明显整体流动的轨迹，而无挡风板的转子风叶处的空气流速呈现出不均匀、无方向感。

从图5、图6可知，电动机在有、无挡风板的情况下空气的流速都差不多，但有挡风板时的转子风叶及定子绕组处的空气流速分布更均匀。

分析可知，有、无挡风板对电动机内部空气流动的均匀分布以及电动机的出风量都会有很大的影响。关于随着转速的下降挡风板对电动机出风量的影响是否也会逐渐减小，在此未作验证。

图7 同步转速为3 000 r/min时有、无挡风板的风速矢量图

图7是同步转速为3 000 r/min时有、无挡风板的风速矢量。从图7可知，在有挡风板的情况下，空气在挡风板的引导下流经转子风叶处，随后被转子风叶均匀地扇出，沿着绕组端部流动，最后沿着轴向通道从机座中间出风；在无挡风板的情况下，空气流经转子风叶处没有很明显的流动轨迹，转子风叶扇出的风不均匀、无方向流动，有一部分空气停留在端盖处，而不参与对定子绕组端部的热交换。

通过Ansoft软件分析，得出采用两侧端盖进风、机座中间出风的通风结构，其机座、端盖处的空气分布较均匀，空气流速较稳定，并且在端盖内部采用具有导流作用的挡风板，能使流入的空气有整体流动的轨迹，能更好地参与电动机内部的热交换。

4 样机验证

通过多方沟通协作，利用部分现有的铸件模具，试制了一台200 kW、2极、IE3效率的样机来验证新设计的通风结构。样机结构如图8所示。

图8 200 kW 2极样机

需要说明，该机座的铁心档内径为φ520 mm，相当于封闭式H315机座号的内径，但该机座的中心高为280 mm，比封闭式H315机座号小一个机座号，因此该电动机采用的轴承为6314，而封闭式H315机座号采用的轴承为6317。样机的试验数据及设计数据比较分别如表2、表3所示。

从表2可知，样机的空载电流、机械损耗和铁耗都比设计值高，尤其是铁耗比设计值高出近1 000 W，根据以往的经验，这种情况是比较少见的。根据计算由于铁耗增加而损失的电动机效率在0.48%以上。

表2 样机的空载试验与设计数据对比

表3 样机的负载试验与设计数据对比

从表3可知，样机的额定电流、定子铜耗、转子铝耗和铁耗都比设计值高，尤其是杂散损耗比设计值高出850 W。由于电动机的铁耗和杂散损耗太大，直接导致电动机的效率比设计值低了0.93%，吃容差6.19%合格。分析认为铁耗的增加与该电动机采用的硅钢片材质有关，根据测试数据的铁耗估算出样机的硅钢片铁损P15/50约为5.0 W/kg，远大于设计时采用的硅钢片铁损P15/50≤3.57 W/kg。若忽略铁耗增加的损失，电动机的实际效率为95.98%以上，应该能超出IE3-95.8%的标准效率要求，电动机的杂散损耗情况较复杂，在此不作讨论。

从表3可知，样机的温升为30 K，究其原因主要是本次样机的铸铝转子的风叶采用现有模具比设计值增长了14 mm，从而使单片风叶的面积增加600 mm2，风叶越大电动机内部的空气流动越快，热交换就越好，但由此同样会造成电动机机械损耗的提高，因此如何控制损耗与温升的关系非常重要。

本次样机的验证，虽在电气性能上略有不足，但基本达到了验证通风结构的目的，证明该通风结构确实能为降低电动机温升和轴承温度起到良好的作用；同时通过测试数据还发现电动机的铁心温度是53.6 ℃，机壳温度是53.3 ℃，说明机座的内部风路结构设计也比较合理，通过热传递能更快速地降低铁心的温度；另外，电动机端盖的进风温度是34.9 ℃，机座的出风温度是41.0 ℃，也说明电动机内部的热交换很有效。

5 结 语

本文对IP23防护结构的电动机通风结构进行了解、分析和试验验证，采用Solidworks三维建模和Ansoft软件对不同通风情况进行模拟分析，还通过样机进行试验验证，最终确定了系列产品的通风结构，如图9所示。

图9 电动机的通风结构示意图

电机运行时，转子旋转运动，转子两端的风叶会产生一定的风压，冷却空气经由前、后端盖底部进风口被吸入电机内腔中，并通过端盖内侧安装的挡风板进行引流、导风，冷却空气流经绕组后进入机座的轴向通风道，汇集后由机座中间的出风口将产生的热量带出电机内腔。

[1] 陈世坤.电机设计[M].北京: 机械工业出版社，2000.[2] 金晶,李光耀,汤惠明.YE2系列(IP23)三相异步电动机的开发[J].电机与控制应用,2017,44(2): 78-82.

Research and Simulation Analysis on Ventilation Structure of YE3 Series (IP23) Three-Phase Asynchronous Motor*

JINJing,WANGHonghu,YAOBinglei

(Shanghai Engineering Research Center Of Motor System Energy Saving Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

The design of YE3 series (IP23) three phase asynchronous motor′s ventilation structure was introduced.The different ventilation conditions was simulated and analyzed by the market research, the test of the sample and using Solidworks and Ansoft software.And then the ventilation structure of products was determined.

three-phase asynchronous motor; ventilation structure; simulation analysis; test

上海电机系统节能工程技术研究中心能力提升项目(14DZ2280800)

金 晶(1983—)，女，工程师，研究方向为高效节能三相异步电动机系列产品的开发。 王鸿鹄(1981—)，男，硕士研究生，高级工程师，研究方向为永磁同步电机、异步电机的设计及仿真计算。

TM 343

A

1673-6540(2017)03- 0054- 05

2016 -12 -12