中型高壓電機內風扇流體分析與溫升計算

溫嘉斌 劉艷翠 姜天一 朱建良 蘇勇

摘 要：以一臺YKK450-4、500kW的中型高壓異步電動機為例，依據電機實際尺寸，建立內風扇物理模型，并分析了內風扇流體流動情況。對中高壓型異步電機三維定轉子徑向通風溝和與之相鄰的鐵心段進行建模，通過有限體積法對模型進行求解。得到計算區域的流體流動情況、定轉子通風溝內流體溫升分布云圖等。在不改變通風槽鋼長度的情況下，將通風槽鋼以近軸端底端為旋轉中心旋轉一定角度，重新建模計算電機溫升。再將通風槽鋼的形狀改成自然的V型，重新建模分析計算，探究不同形狀的通風槽鋼會對通風溝內流體流動及傳熱產生怎樣的影響。然后在兩個通風槽鋼中間位置加了一個五棱錐體，探究其流體流動情況。最后進行優化配合，找到改善電機散熱的最好方案。

關鍵詞：中型高壓異步電動機；通風槽鋼；流體場；溫度場；優化設計

中圖分類號：TM 301.4

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）04-0033-09

Abstract：A YKK450-4，500kW medium high voltage asynchronous motor is taken as an example to construct a physical model of inner fan according to the actual scale and the flow condition is analyzed.Then the model of the radial ducts of the motor′s stator and rotor and their adjacent iron cores were constructed.The finite volume method was applied to solve the problem model， and the fluid flow condition，the temperature rise distribution of the stator′s ducts in the calculated region were then obtained. Under the condition that the length of the ventilation channel steel remains unchanged， it rotated with the bottom end near the shaft end being the rotation center，to reconstruct the model to calculate temperature rise. Then the shape of the ventilation channel steel was changed to a natural V-shaped and the model was reconstructed， and it studied the influence of different shapes of the ventilation channel steel on the fluid flow and heat transfer. Furthermore， a pentagonal pyramid was added in the middle of two ventilation channel steels to study the fluid flow condition. Finally， optimization combination was conducted to find the best scheme for the thermal dissipating performance.

Keywords：medium-size high-voltage asynchronous motors； ventilation channel steel； flow field； temperature field； optimal design

0 引 言

YKK系列電機是冷卻系統分為內外兩個風路的籠型轉子電機。YKK系列中高壓型異步電機內風路由端部、定轉子、另一側端部和內風扇組成。因為電機的內部風路是不與外界接觸的封閉式結構，電機的各個部分在電機運行時熱量難以及時散發出去，冷卻系統負擔加重[1-3]。所以通過了解電機內部的流體流動情況，所以優化電機通風結構，找到使電機溫升降低的方法十分重要。

電機內風路流體與傳熱的計算方法有熱路法，等效熱網絡法和有限體積法。傳統的熱路方法計算溫升，不但準確性較低，而且只能估算繞組和鐵心的平均溫度。這對于電機特別是大型電機的安全運行過程是一個重要的限制因素[4]。等效熱網絡法對硬件資源要求低，但網絡參數的設置與計算的合理和準確度將直接影響整體的計算精度，很有局限性[5-6]。有限體積法邊界適應性好，可以減少數值分析中的假設條件和經驗公式的使用，不僅能夠預測電機的溫度分布，還可以顯示電機的最高和最低溫度[7-10]。

本文采用有限體積法對電機流體運動形態和流固耦合溫升計算進行詳細分析，該方法對流固接觸面的解決辦法是將對流散熱系數作為求解公式中的變量來等效，這樣就能根據流速來實時的改變流固接觸面的對流傳熱值，從而使數值分析的仿真環境與電機真正運行狀況更加符合。天津大學的安蔚瑾對定子的三維溫度場進行了數值模擬[11]。哈爾濱理工大學的李偉力研究了通風溝排列方式對永磁同步電機轉子流體場和溫度場的影響[12]。Y.C.Chen等學者則將實測與仿真結合起來，分析了在不同的速度下，電機內部的散熱情況[13]。但國內外學者很少有從改變通風槽鋼方面去研究，所以本文在通風槽鋼長度不變的情況下，對內風扇進行建模，并旋轉通風槽鋼且改變其形狀，探究不同形狀通風槽鋼對電機溫升的影響。

1 物理模型與數學模型

1.1 物理模型

電機冷卻氣體通風結構示意如圖1所示，內部風路的轉子支架處放置擋風板對流體流動方向進行改變，在電機左端放置離心式風扇，利用該風扇的旋轉產生強大的壓力，驅動內部風路流體往復運動，再通過冷卻器對內風路的高溫流體進行降溫處理。內部流體先后通過定子一側的繞組端部、轉子支架處的軸向通風溝、轉子徑向風路、定轉子空隙、定子徑向風路、離心風扇、冷凝器，最終進入定子繞組端部組成循環網絡。圖中黑色的實線指示是內部冷卻流體的運動形態。

1.2 數學模型及求解條件

1.2.1 電機基本技術參數

電機基本技術參數如表1所示。

1.2.3 基本假設

1）徑向通風溝內流體的雷諾數較大，屬于湍流，因此采用湍流模型對徑向通風溝內流體場進行求解[14]；

2）把槽楔兩端尖角等效成圓弧狀。忽略通風溝內流體的重力和浮力；忽略股線間絕緣和接觸熱阻[15]；

3）忽略鐵心中的諧波損耗以及由于繞組的擠流效應引起的附加損耗[16]；

4）假定在模型中出現的各種介質的物理參數不隨溫度變化[17]；

5）電機內流體的流速遠遠小于聲速，故將其視為不可壓縮流體；

6）電機穩定運行時，內部流體的流動處于穩定狀態，屬于定常流動。

1.2.4 邊界條件

1）計算電機內的流體場分布時采用流量入口和自由出口的邊界條件，流量為1.94 kg/s；第五段通風溝入口速度為5.5 m/s，內風扇入口速度為15 m/s；

2）轉子內流場屬于旋轉流場，采用多重參考坐標系。

1.2.5 數學模型

湍流方程：重整化群（RNG）k-ε方法是對Navier-Stokes方程用重整化群的數學方法推導出來的模型。該模型中的恒定值與標準k-ε模型有區別，增加新的變量。渦耗散率的輸運數學方程從精確的方程中求解得出，使得公式能夠更加符合湍流的實際特性。RNG k-ε湍流方程為：

2 電機內風扇流體場分析

2.1 內風扇流體場分析

將給定的內風扇的入口速度值作為初始條件利用流體仿真軟件Fluent對電機內風扇進行數值分析，如圖所示為內風扇的物理模型圖，本研究中電機內風扇由17個扇葉組成，扇葉的具體尺寸如圖2展示。

從圖3能夠看出，在外殼的直角處還是存在大量的渦流，這些渦流的產生將使流體的動能下降，從而降低了流體通風冷卻的效果，因此今后再設計電機的外殼時應該盡量不要使用截面形狀突然發生變化的結構。

從圖4中能夠發現內風扇的最大速度在扇葉的最外邊緣處，最大速度在64.9～92.7 m/s之間，迎風面的流體速度明顯大于背風面的流體速度，從右側的內風扇區域的速度矢量截面圖看到內風扇左右兩側的流體流動分布是不對稱的，右側的流速大于左側的，這是由于電機的旋轉方向決定和流體在內風扇出口處所受的離心力共同決定的。

2.2 電機原模型定轉子溫升計算

對電機溫度場進行分析時要采用分段計算的方法，否則將全域模型構建出來進行分析對計算機要求太高。電機每段鐵心的長度為40 mm，本文提出采用通風溝兩端各20 mm的距離為一個計算域，以第五段鐵心段處（即電機的中間部位）為研究對象，建模并仿真模擬，并根據支架處流速來計算其溫度。電機溫升模型圖如圖5所示。

如圖6所示為電機定轉子通風溝處的溫升云圖，在圖中看出定子通風溝中溫度最高達到381.5 K，并且溫升不是很均勻。轉子通風溝中的溫度為360 K，溫度分布比較均勻，能夠直觀發現溫升最高的具體位置，所以本文在相應的位置埋置熱敏電阻來對電機運行進行實時在線監測并分析。

如圖7所示為電機沿Z軸方向的流體跡線圖截面圖，從圖中看到在A、B、C和D處出現明顯的渦流現象（如右側的局部放大圖所示），這是因為電機轉子旋轉時，流體流速都沿著一個方向匯集增加，從而導致在定子通風溝四個相對對稱的位置出現渦流現象，這種渦流的存在將導致流體的動能有所減少，從定轉子溫度圖也能夠看出在該四處地方的溫升比較大。在定子通風溝中流體的流動形態比較好，這樣可以帶走定子表面更多的熱量，從而能夠更好地冷卻電機。

圖8是電機定轉子通風槽鋼和氣隙表面的對流換熱系數，從放大圖看到在轉子通風槽管表面和定子通風槽鋼的兩段處對流換熱系數比較大，這是因為轉子旋轉使流體的動能增加，從而在轉子通風槽管處的熱交換明顯增強，冷卻氣體剛進入定子通風溝處時，由于截面積突變，使流體運動速度變大導致熱交換大大增強。氣隙表面存在熱交換不均勻的原因是轉子旋轉使冷卻氣體的流動分布不均衡，從而導致對流換熱能力變得不同。

2.3 樣機試驗驗證

為了驗證所建物理模型和求解器選擇的合理性，將該電機運行在額定負載情況下，對其進行溫升試驗。將測溫元件埋置在上文中進行數值分析得到電機溫升最熱點的位置，通過引線將實時監測的數據傳輸在顯示屏幕上，將測試得到的攝氏溫度經過換算與數值分析得到的絕對溫度進行對比，試驗測量的結果和數值分析得到的結果存在一定的偏差，但是在誤差允許的范圍內，所以證明本研究對電機所建立的物理模型和選取的求解器是合理可行的，其試驗結果圖如圖9（a）、9（b） 所示。

對電機的定子繞組的最熱點進行測試，得到的試驗數據與數值分析得到的數據如下表所示。數值分析和試驗測定的結果存在一定的偏差，其主要原因是在對電機建立物理模型時，槽楔處的尖角和通風槽鋼的轉角都進行了等效處理，這樣處理是為了在對其剖分時能夠得到更好的離散結果，還有在數值分析中流體都是按照表面光滑的，沒有將實際中電機表面的毛刺考慮進來，這些都將引起數值分析和試驗測量存在偏差，試驗與數值分析對比如表3所示。

3 通風槽鋼對電機溫升的影響分析

3.1 旋轉的通風槽鋼對電機溫升的影響分析

將通風槽鋼以近軸端底端為旋轉中心進行旋轉，分別旋轉3°、5°，重新建立模型如圖10所示。然后分別對通風槽鋼旋轉后的模型進行溫升計算，得到計算區域的定轉子絕對溫度分布云圖如圖11所示。從圖中可以看到定子繞組最熱點的溫度幾乎沒有改變，轉子溫度分布依然比較均勻。由此可知將通風槽鋼旋轉一定角度并不會使電機溫升降低，改善電機散熱。因為雖然旋轉通風槽鋼后會改變通風槽鋼兩側的流體流動情況，并且使通風槽鋼跟繞組間距大的那部分流體流速增加，對流加劇，對流系數變大，但是因為繞組是熱源，通風槽鋼旋轉后，另一側的氣體因為離繞組近溫度就會升高，流動速度也會變慢，所以綜合來看，通風槽鋼的一側散熱效果變好，但是另一側效果變差，最終共同作用的結果導致定子繞組最熱點溫度并沒有什么變化，所以將通風槽鋼旋轉一定角度并不會改變電機的散熱效果。

3.2 “V”型通風槽鋼的流體計算與溫升分析

通過對YKK450-4、500kW的電機模型的流體場分析和溫升計算，可以看出電機內的通風槽鋼對電機的通風冷卻效果有著重要的影響。在保證通風槽鋼長度不變的情況下，電機的通風槽鋼的遠軸端沿著繞組外邊界旋轉一定角度，使通風槽鋼形成自然的V型，重新建模如圖12所示，對其進行溫度場計算，電機的絕對溫度計算結果如圖13所示，從圖中可以看到電機定子繞組最熱點溫度為377K，比原模型溫度降低了4 K。這是因為改變通風槽鋼形狀后，它周圍氣體的流動方向也發生了改變，從而使對流增強，流體流動速度增加，對流換熱系數也變大，更有利于熱交換，所以使電機溫升降低。然后再在兩個通風槽鋼中間位置加一個五棱錐體，重構模型如圖14所示。

改變通風槽鋼形狀并加了五棱錐后的流體跡線圖如圖15所示，對比兩圖可知，優化后流體流動形態變得更好，渦流損耗也變得更小。

從圖16中能夠看出，加五棱錐后的V型通風槽鋼表面的對流換熱系數最大，其值為67.7 W/m2·K，表明冷卻空氣與電機發熱元件進行熱交換的能力最好，加五棱錐后的V型通風槽鋼流體流量分配更加均勻，流速更加合理。

從圖17可以看出定子繞組最熱點溫度為375 K，與原模型相比降低了6 K。表4給出了不同形狀通風槽鋼的定轉子最高溫升，從中可以看到轉子區域溫升也降低了5.1 K，這是因為加了五棱錐后渦流變小，流體動能損失也減小，流體速度的降低較少，從而帶走更多的熱量，所以電機溫升降低。

4 結 論

1）內風扇左右兩側的流體流動分布是不對稱的，右側的流速大于左側的，這是電機的旋轉方向和流體在內風扇出口處所受的離心力共同決定的。

2） 對電機第五段模型流體場和溫升進行求解分析，得到最熱點溫度是381.5 K。對比實驗數據，電機熱物理模型構建正確，求解器選取合理；

3）通風槽鋼旋轉一定角度后，通風槽鋼兩側流體流動發生變化，導致一側對流換熱系數變大，一側變小，共同作用導致電機溫升幾乎沒有發生變化。

4）采用V型通風槽鋼后定子繞組最熱點溫度為377 K，比原模型溫度降低了4 K，電機散熱效果得到改善，加五棱錐后渦流明顯減少，定子繞組最熱點溫升降低了6 K，轉子溫升也有所降低，電機通風冷卻效果得到了明顯的改善。

參 考 文 獻：

[1] WEN Jiabin， ZHENG Jun.Numerical analysis of the external wind path for medium-size high-voltage asynchronous motors[J]. Applied Thermal Engineering， 2015，（30）： 869.

[2] 丁樹業，郭保成，孫兆瓊. 永磁風力發電機通風結構優化及性能分析[J].中國電機工程學報，2013，33（9）：33.

DING Shuye ，GUO Baocheng， SUN Zhaoqiong. Ventilation structure optimization and performance analyses of permanent magnet wind generators[J]. Proceedings of the CSEE，2013，33（9）：33.

[3] CHANG C C， KUO Y F， WANG J C， et al. Air cooling for a large-scale motor[J]. Applied Thermal Engineering， 2010， （30）： 1360.

[4] 魏永田，孟大偉，溫嘉斌.電機內熱交換[M].北京：機械工業出版社，1998：146-148，190-205.

[5] 汪書蘋，趙爭鳴，馮垚徑. YKK355-630系列高壓三相異步電動機高效風扇的設計[J]. 清華大學學報（自然科學版），2009，49（01）：9.

WANG Shuping， ZHAO Zhengming， FENG Yaojing， Design of high efficiency fan for series YKK355-630 high voltage three phase asynchronous motors[J]. Journal of Tsinghua University-Science and Technology， 2009，49（01）：9.

[6] 周封，熊斌，李偉力，等. 大型電機定子三維流體場計算及其對溫度場分布的影響[J]. 中國電機工程學報，2005，24（25）：128.

ZHOU Feng， XIONG Bin， LI Weili， et al. Numerical calculation of 3D stator fluid field for large electrical machine as well as influences on thermal field distribution[J]. Proceedings of the CSEE， 2005，24（25）：128.

[7] 路義萍，洪光宇，湯璐，等. 多風路大型空冷汽輪發電機三維流場計算[J]. 中國電機工程學報，2013，33（2）：133.

LU Yiping， HONG Guangyu， TANG Lu， et al. Calculation of 3D flow field of large air-cooled turbo-generators with multi-path ventilation[J]. Proceedings of the CSEE， 2013，33（2）：133.

[8] STREIBL B， NEUDORFER H.Investigating the air flow rate of self-ventilated traction motors by means of computational fluid dynamics[J]. International Symposium on Power Electronics， Electrical Drives， Automation and Motion， 2010：736.

[9] 丁樹業，葛云中，徐殿國，等. 1.5MW雙饋風力發電機內流體場分析[J]. 中國電機工程學報，2012，21（32）：93.

DING Shuye， GE Yunzhong， XU Dianguo， et al.， Analyses of fluid field inside a 1.5MW doubly-fed wind generator[J]. Proceedings of the CSEE， 2012，21（32）：93.

[10] HUAI Y， MELNIK RV， THOGERSEN P B. Computational analysis of temperature rise phenomena in electric induction motors[J]. Applied Thermal Engineering， 2003， （23）： 779.

[11] 安蔚瑾，許紅靜，郭偉，等. 水輪發電機定子三維溫度場數值模擬[J]. 天津大學學報，2008，8（41）：967.

AN Weijin， XU Hongjing， GUO Wei， et al. Numerical simulation of three-dimensional temperature field for stator of hydro-generator[J]. Journal of Tianjin University， 2008，8（41）：967.

[12] 李偉力，王耀玉，黃東洙，等. 轉子通風結構對永磁電機轉子流體場和溫度場的影響[J]. 北京交通大學學報，2015，2（39）：48.

LI Weili， WANG Yaoyu， HUANG Dongzhu， et al. Influence of the rotor ventilation structure on the rotor fluid and temperature field of the PMSM[J]. Journal of Beijing Jiaotong University，2015，2（39）：48.

[13] CHEN Y C， CHEN C L.CFD modeling for motor fan system[C]//IEEE International Electric Machines and Drives Conference， 2003：764.

[14] 路義萍，豐帆，孫明琦，等.同步電機定子與氣隙流場數值計算與分析[J].電機與控制學報.2011，15（8）： 47.

LU Yiping， FENG Fan， SUN Mingqi， et al. Numerical calculation and analysis of fluid flow field of stator and gap of a synchronous machine[J]. Electric machines and control， 2011， 15（8）： 47.

[15] L Weili， G Chunwei， C Yuhong. Influence of rotation on rotor fluid and temperature distribution in a large air-cooled hydro generator[C]//IEEE Conf. Publ.， 2013：117.

[16] NAKAHAMA T， BISWAS D， KAWANO K， et al. Improved cooling performance of large motor using fans[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2006， 21（2）： 324.

[17] 丁樹業. 大型發電機定子復雜結構內流體流動與傳熱特性的研究[D].哈爾濱理工大學，2008.

[18] FUJITA M， KABATA Y， TOKUMASU T， et al. Air-cooled large turbine generator with multiple-pitched ventilation ducts[C]// 2005 IEEE International Conference on Electric Machines and Drives， San Antonio USA， May 2005.2005：910.

[19] 李偉力，袁世鵬，霍菲陽，等. 基于流體傳熱理論永磁風力發電機溫度場計算[J]. 電機與控制學報，2009（9）：57.

LI Wei-li，YUAN Shipeng，HUO Feiyang，et al. Calculation of temperature field of PM generator for wind turbine based on theory of fluid heat transfer[J]. Electric Machines and Control， 2019（9）：57.

[20] 孟大偉，劉兆江，孫兵成. 采煤機用防爆型水冷電機的設計[J]. 哈爾濱理工大學學報，2009，02：55.

MENG Dawei， LIU Zhaojiang，SUN Bingcheng.Design of explosion-proof motor with water-cooling system for coal Excavating[J]. Harbin University of Science and Technology， 2009，02：55.

[21] 戈寶軍，安萬強，陶大軍，等. 氦冷驅動電機轉子端部溫度場仿真[J]. 哈爾濱理工大學學報，2014，04：1

GE Baojun， AN Wanqiang， TAO Dajun，et al. Simulation of the temperature field of helium-cooled driving motor rotor end [J]. Harbin University of Science and Technology， 2014，04：1.

[22] 王芳，高斯博，湯文俠，等. 大型水氫氫冷卻汽輪發電機定子溫度分布[J]. 哈爾濱理工大學學報，2015，01：26.

WANG Fang， GAO Sibo， TANG Wenxia， et al. Temperature distribution of large water-hydrogen-hydrogen cooled turbo-generator stator[J].Harbin University of Science and Technology，2015，01：26.

（編輯：劉素菊）