防爆電機(jī)換熱分析與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

周黎民， 黃鵬程， 鄭國(guó)麗

(南車株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

隨著電機(jī)技術(shù)水平的不斷提高，在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，電機(jī)領(lǐng)域的研發(fā)人員不斷開發(fā)和運(yùn)用新技術(shù)完善電機(jī)結(jié)構(gòu)，使電機(jī)向小型化和高效率化發(fā)展。近年來(lái)，越來(lái)越多的設(shè)計(jì)者采用數(shù)值仿真的方法進(jìn)行電機(jī)的電磁計(jì)算，以及磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和零部件的機(jī)械強(qiáng)度計(jì)算。由于磁場(chǎng)和機(jī)械強(qiáng)度數(shù)值計(jì)算方法開發(fā)和運(yùn)用時(shí)間較早，相對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算而言，已經(jīng)比較成熟，運(yùn)用的人相對(duì)較多，因此設(shè)計(jì)人員開始更加關(guān)注電機(jī)的溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算問題。電機(jī)的通風(fēng)冷卻問題是電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵［1-5］，是進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的依據(jù)之一。良好的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)可以使電機(jī)內(nèi)氣體流量合理分配，降低通風(fēng)損耗和氣體動(dòng)力噪聲，使電機(jī)溫度分布均勻，減少因溫度差異引起的熱應(yīng)力，并且使電機(jī)溫升在允許范圍內(nèi)，保證電機(jī)運(yùn)行的安全性和可靠性，從而延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

本文研究的電機(jī)為礦用防爆電機(jī)，由于電機(jī)的使用環(huán)境特殊，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)有嚴(yán)格要求，電機(jī)內(nèi)部封閉，靠機(jī)殼水冷散熱，散熱條件差，因此電機(jī)的冷卻問題變的尤為重要。本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)原理，對(duì)電機(jī)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算，通過分析電機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)，根據(jù)電機(jī)內(nèi)氣體的流動(dòng)特性設(shè)計(jì)電機(jī)內(nèi)風(fēng)路，進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，并以溫升計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證結(jié)構(gòu)是否合理。此外由于轉(zhuǎn)速影響電機(jī)內(nèi)流量分布，損耗影響電機(jī)內(nèi)溫度分布，因此對(duì)本文分析的變頻調(diào)速電機(jī)還進(jìn)行了變頻調(diào)速后電機(jī)溫升的可靠性驗(yàn)證。電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需依據(jù)電機(jī)采用的通風(fēng)系統(tǒng)而定，在電機(jī)設(shè)計(jì)階段，如果對(duì)原型機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性，不僅提高了設(shè)計(jì)成本，而且延長(zhǎng)了研發(fā)周期，因此采用數(shù)值試驗(yàn)，可根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行定性分析，采用比較合理的結(jié)構(gòu)從而提高設(shè)計(jì)水平、節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)。通過仿真方法指導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)，所得結(jié)論可為電機(jī)的冷卻系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供必要的理論依據(jù)。

1 三維模型選取及簡(jiǎn)化

本文研究的防爆電機(jī)內(nèi)部封閉，在額定運(yùn)行情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)電機(jī)內(nèi)部空氣沿著閉合線路進(jìn)行循環(huán)，循環(huán)過程中，空氣將熱量通過機(jī)座傳遞給冷卻水，定子外殼設(shè)計(jì)螺旋水道，冷卻水從進(jìn)水口進(jìn)入，經(jīng)螺旋水道冷卻整個(gè)電機(jī)后從出水口流出。由于電機(jī)采用螺旋水道，電機(jī)整體不滿足幾何和物理上的對(duì)稱性和周期性，因此需要建立電機(jī)整體的全三維模型。根據(jù)初步設(shè)計(jì)方案，電機(jī)內(nèi)部未置風(fēng)扇，定、轉(zhuǎn)子鐵心未開設(shè)通風(fēng)孔。考慮定子端部繞組幾何形狀不規(guī)則，對(duì)定子端部繞組進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。三維模型局部剖視圖如圖1所示。

圖1 計(jì)算域三維模型局部剖視圖

2 求解條件

考慮電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，需構(gòu)建電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)件的獨(dú)立旋轉(zhuǎn)計(jì)算域，因此在多重參考坐標(biāo)系下，建立流動(dòng)與傳熱穩(wěn)態(tài)控制方程，包括質(zhì)量守恒方程及動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程［6］。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型。

合理的邊界條件是保證計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的重要條件之一。本文根據(jù)用戶的使用條件以及求解問題的需要給定以下邊界條件:

(1)給定各材料的物性參數(shù)，包括密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。銅、絕緣、水套、轉(zhuǎn)軸、端蓋材料的導(dǎo)熱系數(shù) λ 分別為 387.6、0.26、25、44.2、52，單位W/(m·k)。硅鋼片考慮了各項(xiàng)異性，徑向和切向?qū)嵯禂?shù)為44.2 W/(m·k)，軸向?qū)嵯禂?shù)為1.192 W/(m·k)。

(2)螺旋水道進(jìn)水口水溫為40℃，流量為2.7 m3/h，湍流強(qiáng)度5%，當(dāng)量直徑20 mm。水道出口設(shè)為壓力出口，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。電機(jī)內(nèi)部空氣分成動(dòng)靜兩個(gè)區(qū)域，轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)域轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，空氣溫度為35℃。

(3)水套外殼、端蓋兩側(cè)設(shè)對(duì)流邊界，電機(jī)內(nèi)部流體與壁面交界處均為內(nèi)部耦合對(duì)流邊界。水套外表面的換熱系數(shù)根據(jù)自然對(duì)流換熱的試驗(yàn)關(guān)聯(lián)式(1)～式(3)進(jìn)行計(jì)算［7］。

式中:Gr——格拉曉夫數(shù);

g——重力加速度;

α——體脹系數(shù);

Δt——溫差;

l——特征長(zhǎng)度;

Nu——努塞爾數(shù);

Pr——普朗特?cái)?shù);

h——對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);

λ——導(dǎo)熱系數(shù)。

(4)假設(shè)電機(jī)各發(fā)熱部件熱源均布，根據(jù)損耗計(jì)算熱源強(qiáng)度。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 電機(jī)換熱分析

防爆電機(jī)出于防爆目的，電機(jī)內(nèi)部封閉，對(duì)于封閉式電機(jī)，發(fā)熱部件主要有定子鐵心、定子繞組及轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量主要來(lái)自銅耗，通過兩種途徑散熱:一種是熱量從轉(zhuǎn)子兩端由機(jī)內(nèi)循環(huán)空氣直接帶至機(jī)座，機(jī)內(nèi)空氣從端部導(dǎo)條流經(jīng)定子端部繞組，至機(jī)座后重新循環(huán);另一種是熱量從轉(zhuǎn)子表面通過氣隙傳到定子鐵心，再傳給機(jī)座。定子銅耗和鐵耗轉(zhuǎn)換成的熱量，小部分通過端部循環(huán)空氣傳給機(jī)座，大部分通過定子鐵心傳給機(jī)座，鐵心和繞組之間也通過絕緣傳遞熱量。電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)示意圖見圖2，通過對(duì)電機(jī)的換熱分析可知，封閉式電機(jī)的熱量主要通過機(jī)座散出，因此需要增強(qiáng)機(jī)座的散熱能力。本文研究的礦用電機(jī)采用機(jī)殼水冷的方式進(jìn)行冷卻，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊，限制了水道的長(zhǎng)短，導(dǎo)致端部循環(huán)空氣與冷卻水的換熱量小，電機(jī)內(nèi)部空氣溫升高而降低了電機(jī)的散熱能力。通過對(duì)電機(jī)的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算也得出絕緣結(jié)構(gòu)的溫度較高，雖然電機(jī)使用H級(jí)絕緣材料，絕緣溫度未超溫，但是考慮計(jì)算偏差、材料與工藝的因素，安全余量不夠，因此還需進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。綜上所述，理論分析與數(shù)值計(jì)算結(jié)果都表明需要改善電機(jī)內(nèi)部的通風(fēng)系統(tǒng)，加強(qiáng)換熱。

圖2 電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)示意圖

3.2 內(nèi)風(fēng)路設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)改進(jìn)

改善電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)系統(tǒng)的主要目的是增強(qiáng)換熱，一方面要增加循環(huán)風(fēng)量，將定轉(zhuǎn)子的熱量通過空氣帶走，另一方面要增加空氣與冷卻水的換熱量，降低空氣溫度。從這兩個(gè)角度考慮設(shè)計(jì)電機(jī)內(nèi)風(fēng)路，在軸伸端安裝離心風(fēng)扇，離心風(fēng)扇的外徑越大，產(chǎn)生的壓力越大，因此在空間允許的情況下，風(fēng)扇外徑應(yīng)選擇適中，保證風(fēng)量的同時(shí)減少風(fēng)摩損耗;定、轉(zhuǎn)子鐵心開設(shè)通風(fēng)孔，在風(fēng)扇作用下，空氣在電機(jī)內(nèi)部形成循環(huán)，通風(fēng)系統(tǒng)見圖3。轉(zhuǎn)子熱量傳遞給轉(zhuǎn)子風(fēng)道內(nèi)的空氣，空氣溫度升高后在風(fēng)扇離心力作用下流進(jìn)氣隙和定子風(fēng)道，由于定子風(fēng)道靠近螺旋水道，熱阻小，增加了空氣與水的換熱量，使空氣溫度降低后繼續(xù)循環(huán)。采用此通風(fēng)系統(tǒng)使軸伸端溫度高于非軸伸端，為了驗(yàn)證內(nèi)風(fēng)路設(shè)計(jì)是否合理，對(duì)電機(jī)的熱流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得出轉(zhuǎn)子鐵心、定子繞組、定子絕緣的最高溫度與原結(jié)構(gòu)相比溫度分別降低了43.6℃、9.2℃、6.2℃，從數(shù)據(jù)對(duì)比可看出，采用此風(fēng)路對(duì)降低轉(zhuǎn)子溫度效果比較明顯，而降低轉(zhuǎn)子溫度可避免轉(zhuǎn)子溫度高而導(dǎo)致的軸承溫度過高，有利于電機(jī)的安全運(yùn)行。

圖3 電機(jī)內(nèi)風(fēng)路設(shè)計(jì)示意圖

圖4為電機(jī)內(nèi)部風(fēng)扇端速度矢量圖，從圖中氣流方向可看出，由于風(fēng)扇入口與轉(zhuǎn)子鐵心間距離較大，從風(fēng)扇流出的空氣沒有全部進(jìn)入定子風(fēng)道，一部分空氣重新回到了風(fēng)扇入口進(jìn)入風(fēng)扇，形成了短路。為了避免這種情況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子鐵心之間加擋風(fēng)筒，防止空氣倒流。加擋風(fēng)筒后轉(zhuǎn)子三維模型見圖5。

圖4 電機(jī)內(nèi)部風(fēng)扇端速度矢量圖

圖5 加擋風(fēng)筒后轉(zhuǎn)子三維模型

加擋風(fēng)筒后定子風(fēng)道總流量與原來(lái)的相比增加一倍，循環(huán)風(fēng)量明顯增加，定子風(fēng)道內(nèi)的氣體平均流速約增加了8 m/s。擋風(fēng)筒對(duì)電機(jī)各部件溫度分布的影響見表1，表1中數(shù)據(jù)是加擋風(fēng)筒后電機(jī)各部件的峰值溫度相對(duì)于未加擋風(fēng)筒的值，正號(hào)表示溫度升高，負(fù)號(hào)表示溫度降低。

表1 結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后電機(jī)各部件峰值溫度相對(duì)值 ℃

由表1可知，增加擋風(fēng)筒后，除定子軛部鐵心溫度略有升高，電機(jī)其他各部件的溫度均有明顯降低，滿足電機(jī)設(shè)計(jì)要求，并留有很大安全余量，因此將加擋風(fēng)筒后的電機(jī)結(jié)構(gòu)作為最終理想結(jié)構(gòu)。

3.3 變頻調(diào)速后電機(jī)溫升可靠性分析

由于本文研究的電機(jī)為變頻調(diào)速機(jī)，為確保電機(jī)額定運(yùn)行過程中電機(jī)不超溫，在恒轉(zhuǎn)矩階段(5～50 Hz)選取一些典型點(diǎn)對(duì)電機(jī)的溫升進(jìn)行計(jì)算，驗(yàn)證變頻調(diào)速后電機(jī)溫升是否滿足要求。通過數(shù)值計(jì)算得出頻率、轉(zhuǎn)速、損耗分布不同的情況下，絕緣溫度均未超過允許溫度并有一定的安全余量，滿足技術(shù)要求，結(jié)構(gòu)可取。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過對(duì)防爆電機(jī)的換熱分析，設(shè)計(jì)電機(jī)內(nèi)部風(fēng)路，通過結(jié)構(gòu)改進(jìn)，獲得理想結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了變頻調(diào)速后電機(jī)溫升滿足要求，并得出以下結(jié)論:

(1)封閉式電機(jī)散熱條件差，主要通過機(jī)座散熱，尤其是轉(zhuǎn)子的散熱較差，從而導(dǎo)致軸承的溫度過高，為降低電機(jī)溫度，需要增加機(jī)座與內(nèi)部空氣的換熱量，降低內(nèi)部循環(huán)空氣的溫度，使電機(jī)部件的發(fā)熱量通過空氣循環(huán)有效散出;

(2)定轉(zhuǎn)子鐵心開設(shè)通風(fēng)孔，電機(jī)內(nèi)置離心風(fēng)扇，形成內(nèi)循環(huán)風(fēng)路，對(duì)降低轉(zhuǎn)子溫升有明顯效果;

(3)在風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子鐵心間安裝擋風(fēng)筒，可有效防止風(fēng)扇短路，增加定、轉(zhuǎn)子風(fēng)道的循環(huán)風(fēng)量，從而降低電機(jī)各部件的峰值溫度;

(4)通過對(duì)電機(jī)不同工況下的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果表明絕緣結(jié)構(gòu)溫度滿足絕緣等級(jí)的溫升極限，并且有一定余量，驗(yàn)證電機(jī)結(jié)構(gòu)可取。

［1］丁舜年.大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻［M］.北京:科學(xué)出版社，1992.

［2］魏永田，孟大偉，溫嘉斌.電機(jī)內(nèi)熱交換［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［3］А H鮑里先科，В T單科，А H亞科夫列夫.電機(jī)中的空氣動(dòng)力學(xué)與熱傳遞［M］.魏書慈，邱建甫 譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1985.

［4］許明宇，溫嘉斌，吳桂珍.防爆型高功率密度電機(jī)溫度場(chǎng)與流體場(chǎng)綜合計(jì)算［J］.防爆電機(jī)，2008(3):30-34.

［5］李和明，李俊卿.電機(jī)中溫度場(chǎng)計(jì)算方法及其應(yīng)用［J］.華北電力大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，32(1):1-5.

［6］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析——CFD軟件原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［7］陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)［M］.西安:西安交通大學(xué)出版社，2001.