Fluent在YJ146A異步牽引電動機風路計算的應用

王彩霞，景運革

(運城學院公共計算機教學部,山西運城 044000）

Fluent在YJ146A異步牽引電動機風路計算的應用

王彩霞，景運革

(運城學院公共計算機教學部,山西運城 044000）

為了解決YJ146A電機發熱嚴重的問題,通過使用F luent專業的計算流體力學軟件對比不同通風結構的冷卻效果,并推薦最佳通風方式、風路設計、風扇結構等,以達到優化設計的目的,并應用到電機制造中.

風扇 軸承 通風結構 Fluent軟件

YJ146電機是為輕軌車配套研制的牽引電機，在其安裝位置及空間的約束下，電機采用了全封閉結構，體積小、重量輕，功率密度大，電機發熱嚴重.據資料顯示，在目前防護等級及冷卻方式條件下原形電機發熱嚴重，繞組溫度在220℃左右，機座最高溫度在180℃左右.因此為了解決原型電機發熱嚴重的問題，需要對原型電機的通風方式、風路設計、風扇結構等進行優化，提出電機最初結構設計為內、外循環風結合，并通過在主風扇上打孔形成軸承冷卻風路.本計算使用計算流體力學軟件FLUENT詳細分析額定工作狀態下電機風路的流動和傳熱，并綜合分析內、外風路及軸承冷卻風路，在不影響電機最初結構設計的前提下進一步優化風路及風扇，以滿足《YJ146A異步牽引電動機風路計算技術條件》中的要求.

1 計算條件及方案

1）該電動機主要包括以下模型：機座、定子鐵心、定子繞組、前端蓋、后端蓋、導條端環、轉子鐵心、轉軸、軸承、主風扇和副風扇.

2）該電動機的額定轉速為2089 r／min.

3）該電動機的損耗功率為11 kw，其中定子鐵心2.2 kw，定子繞組4.67 kw，導條端環4.1 kw，軸承0.03 kw.

4）該電機的冷卻方式為IC41，即機殼表面冷卻，機內自循環的冷卻體系.目前擬采用機內全封閉，軸端自帶風扇冷卻機座內通風道的結構.

5）電機內部為IP54的防護等級，即防塵防濺，目前采用了機內全封閉結構；外部冷卻風路為IP23防護等級，加裝進風板，可防止12×12mm的固體物質進入，同時防淋水.

6）機座及后端蓋采用球墨鑄鐵材質，前端蓋采用鑄鋁材質，定子鐵心和轉子鐵心均采用帶絕緣層的硅鋼片材質，主、副風扇采用鑄鋁材質，繞組采用表面帶絕緣材料的紫銅材質，導條端環采用黃銅材質，轉軸和軸承采用鋼材質.

7）由于本計算只能在不影響電機最初結構設計的前提下進一步優化風路及風扇，所以考慮通過改變主風扇與前端蓋的間距和改變主風扇上開孔的大小對風路和風扇進行優化，確定了6個不同的計算方案，見表1.

表1 計算方案列表

本計算即通過對該6個方案的計算結果進行對比和分析，以確定最優化的方案，并滿足《YJ146A異步牽引電動機風路計算技術條件》中的要求.

2 模型的建立

用GAMBIT產生所需的幾何結構以及網格見圖1[2]，網格生成后被FLUENT讀入，使用FLUENT解算器進行計算分析.

圖1 用GAMBIT產生的計算模型圖

3 計算參數的選取

3.1 內、外風壓的確定

對于外循環風路，根據FLUENT計算出的結果，外風壓為1000 Pa時，外風道風量為0.2067m3／s.根據通風管路特性，若外風壓取1091 Pa，外風道風量會更大.風機的工作點為風機特性曲線和管路特性曲線的交點.典型的風機性能曲線見圖2.

圖2 模型6機座溫度分布圖

風機性能曲線中全壓曲線從1100 Pa下降到1000 Pa，流量約增大2／3，故綜合考慮，主風扇的工作點選取外風壓為1000 Pa，此時風量為0.2067m3／s.

對于內循環風路，根據FLUENT計算出的結果，內風壓為500 Pa時，內循環風量為0.0188 m3／s.根據通風管路特性，若內風壓取493 Pa，內循環風量會稍小.根據風機性能曲線，全壓曲線的風壓增大，其流量會大幅減小，故綜合考慮，副風扇的工作點取內風壓為500 Pa，此時流量為0.0188m3／s.

3.2 物性參數的確定

其他的各種材質查表即可得到其物性參數，見表2.

表2 各材料物性參數表

4 對流換熱系數的確定

4.1 自然對流面的對流換熱系數的選取

本計算不考慮電機整體在空氣中的相對運動，研究其運轉時溫度分布情況，故電機外表面按自然對流考慮.通常，自然對流換熱系數取10W／（m2·k）.

4.2 沖刷面的對流換熱系數計算

電機在運行中，外風路的冷卻風會對電機的后端蓋外表面進行不斷的沖刷，該沖刷面的對流換熱系數應按強制對流換熱考慮.根據FLUENT計算出的外通道流動情況（流速最高達36m／s），考慮到實際沖刷面只有大部分面被沖刷，計算整個沖刷面的對流換熱系數時，速度按30m／s計算.

4.3 考慮輻射換熱等效

由于電機內部結構復雜,用FLUENT計算時其軟件自帶的輻射計算模型已不再適用,針對這部分輻射換熱量的等效處理[1],經計算表面1的對流換熱系數96W/(m2·k),表面2的對流換熱系數取50W/ (m2·k),其余表面的對流換熱系數均取10W/(m2·k).

5 環境溫度

根據一般的實驗工作環境，本計算環境溫度取25℃.

5.1 計算結果及分析

用FLUENT分別計算6個模型，得到各模型的機座最高溫度，軸承最高溫度，繞組最高溫度，外循環通風量和軸承冷卻通風量，見表3.

表3 各模型的計算結果 單位：℃

由表3可以看出，增大主風扇與前端蓋的間距，外循環通風量和軸承冷卻通風量基本不變，機座、繞組、軸承的最高溫度稍有下降，但下降幅度很小.將主風扇通孔增大一倍，外循環通風量有稍許下降，但軸承冷卻通風量增大約一倍；機座和繞組的最高溫度基本不變，軸承的最高溫度有所下降，但下降幅度很小.由此看來，軸承之所以溫度高，主要是由于電機內部溫度高，高溫物體將熱量導熱到軸承所致，并不是因為軸承冷卻通風量不夠.總之，比較各方案的冷卻效果，方案6對電機的冷卻效果最好.模型6的機座溫度分布如圖2，繞組溫度分布如圖3，軸承溫度分布如圖4，電機縱剖面溫度分布如圖5.

圖3 模型6繞組溫度分布圖

由機座溫度分布圖（圖2）可以看出，機座的高溫部分集中于某一小局部.該局部附近沒有外循環冷卻風通過，所以導致溫度較高，而其他大部分區域溫度是較低的，在150℃以下.

由繞組溫度分布圖（圖3）可以看出，繞組的高溫部分主要集中在端部.由于內風扇的風壓較小，使得內循環風的流速較小，繞組端部的對流換熱較弱，其熱量主要依靠向機座的導熱，如此導致端部溫度較高.要進一步降低繞組溫度，可以考慮提高內風壓.但是，提高內風壓對繞組的冷卻是有一定局限的.因為繞組通過對流換熱將熱量傳給內循環風，使內循環風溫度升高，對流換熱溫差減小，這樣對流換熱量增大幅度不是很大，當內風壓提高到一定程度，繞組溫度并不能降低.

由軸承溫度分布圖（圖4）可以看出，軸承的高溫部分也是集中于某一小片區域，其他大部分區域溫度都在90℃以下.軸承的高溫區域與轉軸緊靠，說明軸承的高溫主要是由于內部熱量導熱所致，這也進一步解釋了為什么軸承冷卻通風量增大對軸承降溫影響不大.

圖4 模型6軸承溫度分布圖

圖5 模型6電機縱剖面溫度分布圖

6 結論

本計算通過使用計算流體力學軟件FLUENT詳細分析各方案在額定工作狀態下電機風路的流動和傳熱，對其冷卻結果進行了比較和分析，得出結論：方案6（即主風扇與前端蓋的間距為15 mm，主風扇上開孔在11×?12圓孔基礎上開孔面積增大一倍時）對電動機的冷卻效果最好.

[1]A H鮑里先科.電機中的空氣動力學與熱傳遞[M].北京:機械工業出版社,2001.

[2]王福軍.計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京:清華大學出版社,2003.

[3]王瑞金,張凱,王剛.Fluent技術基礎與應用實例[M].北京:清華大學出版社,2007.

[4]姚征,陳康民.CFD通用軟件綜述[J].上海理工大學學報,2002,24(2):22-25.

[5]韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用[M].北京:北京理工大學出版社,2004.

Application of Fluent in YJ146A Asynchronous Traction M otor W ind Eta Path Computation

WANG Cai－xia，JING Yun－ge
（Public Computer Teaching Department，Yuncheng University，Yuncheng Shanxi，044000）

In order to solve the overhaet problem of YJ146A electricalmachinery，we use FLUENT the specialized computation hydromechanics software contrast to ventilate the structure differently the cooling performance，and recommend the optimal ventilation way，the wind eta path design，the ventilator structure and so on，and have achieved the optimization design the goal.

ventilator；bearing；ventilates the structure；Fluent software

TM343

A

〔編輯李海〕

1674－0874（2010）01－0029－04

2009－09－25

王彩霞（1970－），女，山西運城人，講師，研究方向：信息安全.