高壓方箱電機內風路分析

(國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

采用徑向式冷卻系統的電機利用安裝于兩端的軸流風扇或者其他能產生輔助風壓的零件，將冷卻介質從兩端抽入，通過鐵心中的風道，從中部由徑向排出。這種冷卻系統具有良好的對稱性，其通風損耗較小，散熱面積較大，因此廣泛的應用于中型以上的電機中。徑向通風的優點是通風損耗小，散熱面積大，沿電機軸向長度上的溫度分布比較均勻。

1 YXKK 560電機內風路分析

研究的模型(YXKK 560-4P電機)采用的是徑向通風，即冷卻空氣由兩側對稱進入，如圖1所示。冷卻空氣的主要部分經定子線圈端部→轉子軛部風路→轉子徑向風道→氣隙→定子徑向風道，最后經定子鐵心中部排出。這種通風系統便于利用轉子上能夠產生風壓的零部件(如通風槽片)的鼓風作用，因而得到廣泛應用。由于定子繞組端部散熱面積較大，所以靠近端部處溫升較低，由于出槽口處鐵心表面的散熱效果好，故繞組在該點溫度最低。該通風方式的通風損耗小，散熱面積大，沿電動機軸向的溫升分布比較均勻。鐵心部分的繞組溫升基本相同，總體來說繞組各部分溫升差異很小。其缺點是風扇外徑一般都比轉子外徑小，所以風扇的風壓受到限制，該通風系統適用于中等轉速的電機，并需要設置徑向通風道，因而使得電動機軸向尺寸增大，也增加了加工成本。

圖1 YXKK徑向通風系統風路示意圖

1.1 模型建模

1.1.1 網格劃分

數值模擬的空氣域劃分為三部分：間隙空氣域、靜止空氣域和旋轉空氣域。

網格是數值計算的基本單元，網格劃分的好壞直接影響了數值計算的效果。本文網格劃分采用ICEM，在處理上根據不同流體區域進行不同的網格劃分尺度，下面對每個流體區域的網格劃分進行展示。

(1)間隙空氣域網格

間隙空氣域的空氣流道狹窄，須采用較密網格，限制體積單元的element size為0.01m,整個間隙空氣域網格數量約為1.7萬，如圖2所示，采用Automatic網格劃分方法。

圖2 間隙空氣域網格

(2)靜止空氣域網格

靜止空氣域較大，網格數量較多，約為727萬，限制體積單元的element size為0.02m，采用Automatic網格劃分方法，網格如圖3所示。

圖3 靜止空氣域網格

(3)旋轉空氣域網格

依然采用Automatic網格劃分方法，限制體積單元的element size為0.01m。旋轉空氣域網格數量約為220萬，網格顯示如圖4。

圖4 旋轉空氣域網格

1.1.2 基本假設和邊界條件設置

基本假設

(1)由于電機中流體的雷諾數很大(Re>2300)，流體屬于紊流，因此采用紊流模型對電機內流體場求解。

(2)忽略浮力和重力對電機內流體場的影響。

(3)由于只研究電機內流體流速的穩定狀態，即定常流動，因而方程不含有時間項。

(4)電機內流體場中，流體流速遠小于聲速，即馬赫(Mach)數Ma很小，故將流體作為不可壓縮流體考慮。

邊界條件設置

(1)間隙空氣域、靜止空氣域和旋轉空氣域之間的交界面，均采用交界面邊界條件。

(2)電機旋轉部分以及旋轉空氣域的轉速與電機額定運行時轉速相同，本課題為1485r/min。為了比較分析結果，我們計算了正向旋轉和反向旋轉兩個工況。從非軸伸端看為順時針旋轉，我們取為+1485 r/min，命名正向旋轉, 從軸伸端看為順時針旋轉，我們取為-1485 r/min，定義為逆向旋轉。

(3)電機固壁外表面均采用無滑移光滑壁面。

2 內風路流場分析結果

2.1 流場流線

圖5為整個流場的流線圖。當正向旋轉時，從非軸伸端可以看到，由于風扇的順時針旋轉，風扇周圍的流速較高，冷卻器內流速較低，如圖5(a)、圖5(b)所示。當逆向旋轉時，即從軸伸端看為順時針旋轉，從速度的流線圖可以看到，流線在冷卻器中較少，大部分都在機座內，其冷卻效果沒有正向旋轉明顯，如圖5(c)、圖5(d)所示。從機座內來看，逆向旋轉比正向旋轉在定轉子周圍分布的流線更多、更均勻，說明在機座內散熱，逆向旋轉比正向旋轉更有優勢，局部溫升比正向旋轉要低。

圖5 整個流場的流線圖

2.2 速度矢量圖

為了更好的觀察內風路的速度矢量變化情況，現建立軸向截面如圖6所示的灰色部分。

圖6 軸向截面圖

圖7 軸向截面速度矢量對比圖

圖7給出了正向旋轉和逆向旋轉的軸向截面的速度矢量對比圖，其中圖7(a)為正向旋轉，圖7(b)為逆向旋轉。從圖7(b)逆向旋轉的風路與圖1徑向通風系統風路示意圖一致。正向旋轉和逆向旋轉的風路走向是相反的。相比在定轉子徑向通風道中的流速，冷卻器中的流體速度都相對較低。

我們選取中心位置，建立徑向截面，如圖8所示的灰色部分。

圖8 徑向截面圖

圖9 軸向截面速度矢量對比圖

圖9給出了正向旋轉和逆向旋轉的徑向截面的速度矢量對比圖，其中圖9(a)為正向旋轉，圖9(b)為逆向旋轉。從對比圖中可以看到，正向旋轉的流體分布廣泛，而逆向旋轉主要沿著機座壁面向上流動，流體可以通過壁面傳熱的方式實現更好的冷卻。

2.3 壓力速度云圖

為了觀察冷卻器進出口的壓力情況，我們建立冷卻器進出口平面，圖10給出了正向旋轉和逆向旋轉的冷卻器進出口壓力和速度云圖，其中圖10(a)為正向旋轉壓力云圖，圖10(b)為正向旋轉速度云圖，圖10(c)為逆向旋轉壓力云圖，圖10(d)為逆向旋轉速度云圖。圖中正上方為軸伸端，正下方為非軸伸端。

圖10 冷卻器進出口壓力和速度云圖

從對比圖可以看到，正向旋轉比逆向旋轉的進出口壓差大，但是正向旋轉軸伸端的壓力較小，非軸伸端的壓力較大，兩側的對稱性效果差。逆向旋轉的兩側的對稱性較好，進口壓力大，約為293Pa,出口壓力小，約為-46.8Pa。正向旋轉和逆向旋轉的最大流速都出現在靠近壁面處。

3 結語

完成了對方箱式電機YXKK 560-4的內風路分析，通過有限元軟件的仿真分析，建立了YXKK電機內風路的分析方法和掌握了分析手段，并進行了特性評價，為電機風路結構的優化設計提供了參考借鑒。