YKK560- 8 型異步電動機通風冷卻系統分析

吳云祥

（東方電氣集團東方電機有限公司，四川德陽 618000）

1 概述

YKK 空-空冷卻型電動機是大中型異步電動機中的非常重要的衍生派系。大中型異步電動機在縮小體積、減輕重量的同時，有提高效率、降低噪聲的巨大需求，因此必須通過十分精確的通風冷卻的計算分析技術，從而設計合理的冷卻結構及高風扇的效能，用較少的軸功率能取得較好的冷卻效果，以提高電動機的效率[1]。異步電動機常用的冷卻風路結構有三種：(1)軸向通風;(2)徑向通風;(3) 軸-徑向混合通風。采用不同的通風冷卻方式, 定子及轉子各個地方溫度分布各不相同。

YKK560-8 異步電動機是我公司為某電廠配套電動機，本文通過對整個電動機通風系統的CFD 仿真分析，得到了電動機定轉子溫升特性、內外風扇工作特性以及冷卻器溫升特性，并與模型試驗結果進行對比。

2 通風計算

2.1 通風冷卻系統

YKK560-8 異步電動機采用軸-徑向混合通風結構，通風冷卻系統如圖1 所示。其中藍色箭頭為發電動機外風路，紅色箭頭為電動機內風路。對于電動機內風路，從冷卻器流出的冷卻空氣主要經由一側的定子線圈端部進入轉子支架、轉子徑向通風道、氣隙、定子徑向通風道、定子鐵心背部風道、定子另一側端部線圈，最后通過離心風扇排出進入冷卻器進行再次冷卻。

圖1 電動機通風冷卻系統

2.2 數學模型

電動及通風冷卻系統內的流體流動與傳熱滿足以下方程。

2.2.1 質量守恒方程

在求解發電機通風冷卻系統流體流動物理模型時，需要利用質量守恒方程來進行控制，對于不可壓縮流體的質量守恒方程[2]為：

2.2.2 動量守恒方程[2]

2.2.3 湍流k-ε 方程[3]

當流體不可壓縮且穩定流動時，采用標準k-ε 方程[9]，其通用方程為：

2.2.4 能量守恒方程

在求解溫度過程中，還需要滿足能量守恒方程[4]：

2.2.5 三維熱傳導方程

式中：kx，ky，kz分別是x、y、z 方向的導熱系數，W/（m·K）；T 為溫度；q 為內部熱源密度，W/m3。

2.3 物理模型

根據對稱性原則，對于電動機的電機本體取周向1/16的定子鐵心，定子線圈，槽楔，槽鋼，轉子鐵心，轉子線圈，轉子支架等作為流場和溫度場分析研究對象。

3 內外風路計算結果

3.1 外風路風阻特性分析

空空冷卻器外風路的風阻特性即為電機外風路風阻特性，如圖1 所示。

外風扇的工作點可以通過外風扇的工作特性曲線與空空冷卻器外風路的風阻特性曲線求交點的方式得到，即如圖2 所示。由圖可知，外風扇的工作點為（2.8m3/s，300pa），此時外風扇的效率約為35.5%，外風扇功率為2.6 kW。

圖2 外風扇工作點

3.2 內風路風阻特性分析

內風扇的工作點可以通過內風扇的工作特性曲線與電機內風路的風阻特性曲線求交點的方式得到，即如圖3 所示。由圖可知，內風扇的工作點為（1.35m3/s，510pa），此時內風扇的效率約為33.1%，內風扇功率為2.3 kW。

圖3 內風扇工作點

4 冷卻器溫升計算

通過空冷卻器計算模型，用Fluent 可以進行冷卻器內外風路的溫度計算。內風路進口溫度利用對數溫差法、冷卻器傳熱方程和電機傳熱方程來計算，見表1。

表1 冷卻器各部位平均溫度

5 電動機溫升計算

根據電動機電機本體計算模型進行電機溫升計算，以內風扇的工作點以及冷卻器內風路出口溫度作為電動機本體溫升計算的邊界條件。計算得到在電動機進口溫度為55.0℃，進口風量為1.35m3/s 時，由于從冷卻器出來的冷卻空氣主要經由進口側定轉子線圈端部進入轉子支架、轉子徑向通風道、氣隙、定子徑向通風道、定子鐵心背部風道，最后在經過出口側定轉子端部線圈，這樣就會引起定子和轉子兩側的端部線圈溫度有所差異。從圖中可以看出，定子層間墊條的溫度分布比較均勻；出口側定轉子端部線圈的溫度明顯高于進口側端部線圈的溫度。

6 模型試驗結果

6.1 試驗方案

試驗包括通風試驗和溫升試驗兩部分，主要試驗方案包括：

6.1.1 在750r/min、600 r/min、500 r/min、400r/min 轉速下測得內、外風路風量和壓力，以測量電機正常工作時的內外風路風量以及空冷器外風路和內風路阻力特性。

6.1.2 調節冷卻器外風路風阻測量外風扇氣動特性。

6.1.3 在額定轉速、同一工況下分別測量帶外風扇和不帶外風扇電機輸入損耗，相減得到外風扇工作損耗。

6.1.4 利用疊頻法開展電機溫升試驗。

6.1.5 壓力測量采用靜壓模塊、風量測量采用斷面平均速度法、溫度測量使用熱電偶。

6.2 測點布置

壓力和溫度測試元件主要布置在機座上部空間，詳見圖4。

圖4 測點布置

6.3 外風扇工作點

冷卻器作為一個靜止的純阻力元件，其風阻特性通過改變電動機轉速（750r/min、600 r/min、500 r/min、400 r/min），測量不同轉速下冷卻器外風路進風量、冷卻器管路兩端壓差獲得；外風扇是旋轉的壓力的來源，其氣動特性是通過在額定轉速下改變外風路風阻，測量不同風阻條件下流經風扇流量、風扇兩端的風壓壓差獲得的；將計算和試驗獲得的冷卻器外風路風阻特性與外風扇氣動特性進行相互匹配，可以獲得計算和試驗條件下外風扇工作點，試驗結果和計算結果的比較見圖5。從圖5可知，計算獲得的外風扇工作點為（2.8m3/s，300Pa），試驗獲得的外風扇工作點為（2.4m3/s，240Pa），兩者具有較好的一致性。

圖5 外風扇工作點

6.4 內風扇工作點

與測量外風路阻力特性類似，在不同轉速下分別在內風路進風端（電機熱風腔）和出風端（電機冷風腔）測量壓力以計算內風路壓力降。測量和計算獲得的冷卻器內風路阻力特性。內風扇工作點 [試驗值（1.45m3/s，452Pa）；計算值（1.35m3/s，500Pa）]。

6.5 溫升結果

由于直流試驗站拖動機容量有限，采用了定子疊頻法開展溫升試驗。試驗獲得的主要數據見表2。表2 可見：利用疊頻法獲得的電機在設計工況下滿載運行時最高溫升為60.4K。

表2 疊頻法溫升試驗

圖6 對比了定子RTD 最高溫升的模擬計算結果和試驗結果。從圖可以看出，計算值比試驗值高，可能原因包括：

（1）雜散損耗大小及分配與真實情況存在差異；

（2）測溫元件的布置不在最高點溫度點位置；

（3）環境溫度低，只有5 ℃，空氣的散熱能力強，和計算邊界存在較大差異。

采用試驗條件對應的空氣熱物性，重新分配定子側雜散損耗重新計算，得到的計算結果如圖6 所示，可以看出此時的模擬結果和試驗值比較接近，為電動機綜合物理場的進一步研究計算提供理論了依據。

圖6 結果比對

7 結論

本文對整個電動機通風系統進行了CFD 仿真分析，得到了電動機定轉子溫升特性、內外風扇工作特性以及冷卻器溫升特性。研究表明：

7.1 計算獲得的外風扇工作點為（2.8m3/s，300Pa），試驗獲得的外風扇工作點為（2.4m3/s，240Pa），兩者具有較好的一致性。

7.2 計算獲得的內風扇工作點為（1.35m3/s，500Pa），試驗獲得的內風扇工作點為（（1.45m3/s，452Pa）兩者具有較好的一致性。

7.3 對定子側雜散損耗進行重新分配、考慮不同溫度下空氣的散熱能力以及計算邊界等，使得計算得到的定子RTD 最高溫升與試驗測量值差異不大。

模擬結果和試驗結果均能較好的吻合，為電動機綜合物理場的進一步研究計算提供理論了依據。