高壓方箱電機內(nèi)風(fēng)路分析

(國家防爆電機工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

采用徑向式冷卻系統(tǒng)的電機利用安裝于兩端的軸流風(fēng)扇或者其他能產(chǎn)生輔助風(fēng)壓的零件，將冷卻介質(zhì)從兩端抽入，通過鐵心中的風(fēng)道，從中部由徑向排出。這種冷卻系統(tǒng)具有良好的對稱性，其通風(fēng)損耗較小，散熱面積較大，因此廣泛的應(yīng)用于中型以上的電機中。徑向通風(fēng)的優(yōu)點是通風(fēng)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(nèi)風(fēng)路分析

研究的模型(YXKK 560-4P電機)采用的是徑向通風(fēng)，即冷卻空氣由兩側(cè)對稱進入，如圖1所示。冷卻空氣的主要部分經(jīng)定子線圈端部→轉(zhuǎn)子軛部風(fēng)路→轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道→氣隙→定子徑向風(fēng)道，最后經(jīng)定子鐵心中部排出。這種通風(fēng)系統(tǒng)便于利用轉(zhuǎn)子上能夠產(chǎn)生風(fēng)壓的零部件(如通風(fēng)槽片)的鼓風(fēng)作用，因而得到廣泛應(yīng)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(fēng)方式的通風(fēng)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(fēng)扇外徑一般都比轉(zhuǎn)子外徑小，所以風(fēng)扇的風(fēng)壓受到限制，該通風(fēng)系統(tǒng)適用于中等轉(zhuǎn)速的電機，并需要設(shè)置徑向通風(fēng)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(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路示意圖

1.1 模型建模

1.1.1 網(wǎng)格劃分

數(shù)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(zhuǎn)空氣域。

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

(1)間隙空氣域網(wǎng)格

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

圖2 間隙空氣域網(wǎng)格

(2)靜止空氣域網(wǎng)格

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

圖3 靜止空氣域網(wǎng)格

(3)旋轉(zhuǎn)空氣域網(wǎng)格

依然采用Automatic網(wǎng)格劃分方法，限制體積單元的element size為0.01m。旋轉(zhuǎn)空氣域網(wǎng)格數(shù)量約為220萬，網(wǎng)格顯示如圖4。

圖4 旋轉(zhuǎn)空氣域網(wǎng)格

1.1.2 基本假設(shè)和邊界條件設(shè)置

基本假設(shè)

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

(2)忽略浮力和重力對電機內(nèi)流體場的影響。

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

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

邊界條件設(shè)置

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

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

(3)電機固壁外表面均采用無滑移光滑壁面。

2 內(nèi)風(fēng)路流場分析結(jié)果

2.1 流場流線

圖5為整個流場的流線圖。當(dāng)正向旋轉(zhuǎn)時，從非軸伸端可以看到，由于風(fēng)扇的順時針旋轉(zhuǎn)，風(fēng)扇周圍的流速較高，冷卻器內(nèi)流速較低，如圖5(a)、圖5(b)所示。當(dāng)逆向旋轉(zhuǎn)時，即從軸伸端看為順時針旋轉(zhuǎn)，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(nèi)，其冷卻效果沒有正向旋轉(zhuǎn)明顯，如圖5(c)、圖5(d)所示。從機座內(nèi)來看，逆向旋轉(zhuǎn)比正向旋轉(zhuǎn)在定轉(zhuǎn)子周圍分布的流線更多、更均勻，說明在機座內(nèi)散熱，逆向旋轉(zhuǎn)比正向旋轉(zhuǎn)更有優(yōu)勢，局部溫升比正向旋轉(zhuǎn)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(nèi)風(fēng)路的速度矢量變化情況，現(xiàn)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(zhuǎn)和逆向旋轉(zhuǎn)的軸向截面的速度矢量對比圖，其中圖7(a)為正向旋轉(zhuǎn)，圖7(b)為逆向旋轉(zhuǎn)。從圖7(b)逆向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)路與圖1徑向通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路示意圖一致。正向旋轉(zhuǎn)和逆向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)路走向是相反的。相比在定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)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(zhuǎn)和逆向旋轉(zhuǎn)的徑向截面的速度矢量對比圖，其中圖9(a)為正向旋轉(zhuǎn)，圖9(b)為逆向旋轉(zhuǎn)。從對比圖中可以看到，正向旋轉(zhuǎn)的流體分布廣泛，而逆向旋轉(zhuǎn)主要沿著機座壁面向上流動，流體可以通過壁面?zhèn)鳠岬姆绞綄崿F(xiàn)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(zhuǎn)和逆向旋轉(zhuǎn)的冷卻器進出口壓力和速度云圖，其中圖10(a)為正向旋轉(zhuǎn)壓力云圖，圖10(b)為正向旋轉(zhuǎn)速度云圖，圖10(c)為逆向旋轉(zhuǎn)壓力云圖，圖10(d)為逆向旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)比逆向旋轉(zhuǎn)的進出口壓差大，但是正向旋轉(zhuǎn)軸伸端的壓力較小，非軸伸端的壓力較大，兩側(cè)的對稱性效果差。逆向旋轉(zhuǎn)的兩側(cè)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(zhuǎn)和逆向旋轉(zhuǎn)的最大流速都出現(xiàn)在靠近壁面處。

3 結(jié)語

完成了對方箱式電機YXKK 560-4的內(nèi)風(fēng)路分析，通過有限元軟件的仿真分析，建立了YXKK電機內(nèi)風(fēng)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(fēng)路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了參考借鑒。