自冷式永磁電機冷卻風(fēng)扇的設(shè)計

張景峰

（沈陽航天新光集團有限公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

永磁電機的顯著特點之一就是高效率，其冷卻結(jié)構(gòu)是非常重要的一個部分。對于自冷式永磁電機來說，如果在其冷卻結(jié)構(gòu)中所設(shè)計的風(fēng)扇不合理，不但會影響電機溫升，還可能會額外增加電機的通風(fēng)損耗，從而影響電機效率，所以為保證其合理溫升和效率，就應(yīng)設(shè)計出與該電機配套的冷卻風(fēng)扇。本文以一臺190kW永磁同步電機作為研究對象，將解析計算與流場仿真相結(jié)合，設(shè)計出合適的冷卻風(fēng)扇。

2 冷卻風(fēng)扇的尺寸設(shè)計

永磁電機冷卻風(fēng)扇尺寸的設(shè)計主要包括確定內(nèi)、外徑D1和D2，風(fēng)扇葉片的寬度b，傾角β和葉片數(shù)N。本次風(fēng)扇設(shè)計采用徑向式，所以傾角β為90°。

具體設(shè)計的解析過程如下：

表1 冷卻風(fēng)扇外形尺寸

（1）首先根據(jù)190kW永磁同步電機的尺寸，初選出冷卻風(fēng)扇的葉輪外徑D2。對于軸向通風(fēng)的冷卻系統(tǒng)，D2應(yīng)盡可能選取最大可能值，這是為了產(chǎn)生較高的風(fēng)壓。

（2）對于風(fēng)扇葉片寬度b的設(shè)計，本文將《Y2電機手冊》和《電機設(shè)計》這兩書中介紹的設(shè)計方法相結(jié)合。首先初選了風(fēng)扇葉片的寬度b，根據(jù)《Y2電機手冊》中的公式（1）可以計算出最大風(fēng)量Qm，其次利用了《電機設(shè)計》上的公式（2）反推出了風(fēng)扇葉片的寬度b的值，并且將其與初選的b值進行比對校核，通過調(diào)節(jié)初選值使校核的差值達到最小。

式中：

K——考慮葉片的厚度所占的空間使進風(fēng)的面積減少而引起的系數(shù)，一般為0.92；

n——額定轉(zhuǎn)速。

（3）冷卻風(fēng)扇的內(nèi)徑D1的設(shè)計同樣是結(jié)合了《Y2電機手冊》和《電機設(shè)計》的設(shè)計方法，根據(jù)《Y2電機手冊》中的公式（3）首先推算出冷卻風(fēng)扇的空載靜壓h0，然后根據(jù)《電機設(shè)計》書中的公式（4）推算出風(fēng)扇葉輪內(nèi)徑的線速度。

式中，ρ為風(fēng)扇運行時空氣密度，再根據(jù)公式（5）推算出冷卻風(fēng)扇的內(nèi)徑D1。

表2 風(fēng)扇采用不同扇葉數(shù)時的風(fēng)速對比

（4）最后根據(jù)經(jīng)驗公式（6）確定出冷卻風(fēng)扇的葉片數(shù)量。

根據(jù)上述的設(shè)計步驟，冷卻風(fēng)扇的設(shè)計流程如圖1所示，最后的設(shè)計尺寸見表1。

3 電機的流場仿真

3.1 風(fēng)扇建模

利用Solidworks軟件對所設(shè)計的冷卻風(fēng)扇進行三維建模，如圖2所示。

然后將永磁電機冷卻風(fēng)路建模成實體，將風(fēng)扇模型與風(fēng)路模型相配合，需要注意的是，為了避免入口和出口回流現(xiàn)象，需要將模型的入口和出口伸長一部分，如圖3和圖4 所示。

3.2 風(fēng)扇流場仿真

將建立好的模型利用gambit軟件進行網(wǎng)格剖分，剖分時應(yīng)將各實體部分進行分割再分別畫成六面體網(wǎng)格，進而導(dǎo)入CFD軟件來進行流場仿真。CFD即計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）是經(jīng)過計算機的數(shù)值計算和圖形顯示，對所包含的流體流動和熱傳導(dǎo)等物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的計算分析。本文所采用的是CFD中的Fluent軟件，計算前的初始條件應(yīng)該為：

（1）冷卻風(fēng)扇葉片轉(zhuǎn)速為1800rpm（即電機的額定轉(zhuǎn)速）。

（2）出入口設(shè)置為壓力出入口。

（3）不可壓流體。

（4）標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。

仿真計算結(jié)果如圖5～圖9所示。

經(jīng)計算流入風(fēng)扇的平均風(fēng)速為5.477m/s，流出風(fēng)扇的平均風(fēng)速為3.780m/s。

經(jīng)計算散熱筋處空氣平均流速為16.305m/s。

上述為該尺寸條件下16扇葉的流場仿真計算結(jié)果，實際風(fēng)扇運行時葉片表面會存在磨擦損耗和具有一定厚度，因此如果葉片數(shù)過多會造成過流面積過小，片間磨擦損耗過大，影響效率，所以本文又進行了9扇葉和12扇葉的流場仿真，模型如圖10所示，仿真結(jié)果見表2。

由表2可知，隨著扇葉數(shù)增加，反而造成了平均風(fēng)速下降，這是不利于電機冷卻的，而且還會造成葉片間的摩擦損耗加大，從而影響到風(fēng)扇效率，所以該電機模型應(yīng)選取9扇葉為最終的設(shè)計方案。

結(jié)論

本文以一臺190kW自冷式永磁同步電機為例，將解析法和流場仿真相結(jié)合，闡述了風(fēng)扇設(shè)計的具體流程，設(shè)計出了適用于該電機的徑向式風(fēng)扇，且對比了不同扇葉數(shù)時風(fēng)速的變化，最終確定了設(shè)計方案。

[1]黃國治，傅豐禮.Y2 系列三相異步電動機技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2]陳世坤.電機設(shè)計[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3]王福軍.計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[4]王彬，楊慶山.CFD 軟件及其在建筑風(fēng)工程中的應(yīng)用.工業(yè)建筑， 2008，38（S1）：328-329.