中型高壓電機(jī)內(nèi)風(fēng)扇流體分析與溫升計(jì)算

溫嘉斌 劉艷翠 姜天一 朱建良 蘇勇

摘 要：以一臺(tái)YKK450-4、500kW的中型高壓異步電動(dòng)機(jī)為例，依據(jù)電機(jī)實(shí)際尺寸，建立內(nèi)風(fēng)扇物理模型，并分析了內(nèi)風(fēng)扇流體流動(dòng)情況。對(duì)中高壓型異步電機(jī)三維定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝和與之相鄰的鐵心段進(jìn)行建模，通過有限體積法對(duì)模型進(jìn)行求解。得到計(jì)算區(qū)域的流體流動(dòng)情況、定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝內(nèi)流體溫升分布云圖等。在不改變通風(fēng)槽鋼長(zhǎng)度的情況下，將通風(fēng)槽鋼以近軸端底端為旋轉(zhuǎn)中心旋轉(zhuǎn)一定角度，重新建模計(jì)算電機(jī)溫升。再將通風(fēng)槽鋼的形狀改成自然的V型，重新建模分析計(jì)算，探究不同形狀的通風(fēng)槽鋼會(huì)對(duì)通風(fēng)溝內(nèi)流體流動(dòng)及傳熱產(chǎn)生怎樣的影響。然后在兩個(gè)通風(fēng)槽鋼中間位置加了一個(gè)五棱錐體，探究其流體流動(dòng)情況。最后進(jìn)行優(yōu)化配合，找到改善電機(jī)散熱的最好方案。

關(guān)鍵詞：中型高壓異步電動(dòng)機(jī)；通風(fēng)槽鋼；流體場(chǎng)；溫度場(chǎng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TM 301.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：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(jī)是冷卻系統(tǒng)分為內(nèi)外兩個(gè)風(fēng)路的籠型轉(zhuǎn)子電機(jī)。YKK系列中高壓型異步電機(jī)內(nèi)風(fēng)路由端部、定轉(zhuǎn)子、另一側(cè)端部和內(nèi)風(fēng)扇組成。因?yàn)殡姍C(jī)的內(nèi)部風(fēng)路是不與外界接觸的封閉式結(jié)構(gòu)，電機(jī)的各個(gè)部分在電機(jī)運(yùn)行時(shí)熱量難以及時(shí)散發(fā)出去，冷卻系統(tǒng)負(fù)擔(dān)加重[1-3]。所以通過了解電機(jī)內(nèi)部的流體流動(dòng)情況，所以優(yōu)化電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)，找到使電機(jī)溫升降低的方法十分重要。

電機(jī)內(nèi)風(fēng)路流體與傳熱的計(jì)算方法有熱路法，等效熱網(wǎng)絡(luò)法和有限體積法。傳統(tǒng)的熱路方法計(jì)算溫升，不但準(zhǔn)確性較低，而且只能估算繞組和鐵心的平均溫度。這對(duì)于電機(jī)特別是大型電機(jī)的安全運(yùn)行過程是一個(gè)重要的限制因素[4]。等效熱網(wǎng)絡(luò)法對(duì)硬件資源要求低，但網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的設(shè)置與計(jì)算的合理和準(zhǔn)確度將直接影響整體的計(jì)算精度，很有局限性[5-6]。有限體積法邊界適應(yīng)性好，可以減少數(shù)值分析中的假設(shè)條件和經(jīng)驗(yàn)公式的使用，不僅能夠預(yù)測(cè)電機(jī)的溫度分布，還可以顯示電機(jī)的最高和最低溫度[7-10]。

本文采用有限體積法對(duì)電機(jī)流體運(yùn)動(dòng)形態(tài)和流固耦合溫升計(jì)算進(jìn)行詳細(xì)分析，該方法對(duì)流固接觸面的解決辦法是將對(duì)流散熱系數(shù)作為求解公式中的變量來等效，這樣就能根據(jù)流速來實(shí)時(shí)的改變流固接觸面的對(duì)流傳熱值，從而使數(shù)值分析的仿真環(huán)境與電機(jī)真正運(yùn)行狀況更加符合。天津大學(xué)的安蔚瑾對(duì)定子的三維溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬[11]。哈爾濱理工大學(xué)的李偉力研究了通風(fēng)溝排列方式對(duì)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響[12]。Y.C.Chen等學(xué)者則將實(shí)測(cè)與仿真結(jié)合起來，分析了在不同的速度下，電機(jī)內(nèi)部的散熱情況[13]。但國(guó)內(nèi)外學(xué)者很少有從改變通風(fēng)槽鋼方面去研究，所以本文在通風(fēng)槽鋼長(zhǎng)度不變的情況下，對(duì)內(nèi)風(fēng)扇進(jìn)行建模，并旋轉(zhuǎn)通風(fēng)槽鋼且改變其形狀，探究不同形狀通風(fēng)槽鋼對(duì)電機(jī)溫升的影響。

1 物理模型與數(shù)學(xué)模型

1.1 物理模型

電機(jī)冷卻氣體通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，內(nèi)部風(fēng)路的轉(zhuǎn)子支架處放置擋風(fēng)板對(duì)流體流動(dòng)方向進(jìn)行改變，在電機(jī)左端放置離心式風(fēng)扇，利用該風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生強(qiáng)大的壓力，驅(qū)動(dòng)內(nèi)部風(fēng)路流體往復(fù)運(yùn)動(dòng)，再通過冷卻器對(duì)內(nèi)風(fēng)路的高溫流體進(jìn)行降溫處理。內(nèi)部流體先后通過定子一側(cè)的繞組端部、轉(zhuǎn)子支架處的軸向通風(fēng)溝、轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)路、定轉(zhuǎn)子空隙、定子徑向風(fēng)路、離心風(fēng)扇、冷凝器，最終進(jìn)入定子繞組端部組成循環(huán)網(wǎng)絡(luò)。圖中黑色的實(shí)線指示是內(nèi)部冷卻流體的運(yùn)動(dòng)形態(tài)。

1.2 數(shù)學(xué)模型及求解條件

1.2.1 電機(jī)基本技術(shù)參數(shù)

電機(jī)基本技術(shù)參數(shù)如表1所示。

1.2.3 基本假設(shè)

1）徑向通風(fēng)溝內(nèi)流體的雷諾數(shù)較大，屬于湍流，因此采用湍流模型對(duì)徑向通風(fēng)溝內(nèi)流體場(chǎng)進(jìn)行求解[14]；

2）把槽楔兩端尖角等效成圓弧狀。忽略通風(fēng)溝內(nèi)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(yīng)引起的附加損耗[16]；

4）假定在模型中出現(xiàn)的各種介質(zhì)的物理參數(shù)不隨溫度變化[17]；

5）電機(jī)內(nèi)流體的流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于聲速，故將其視為不可壓縮流體；

6）電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部流體的流動(dòng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，屬于定常流動(dòng)。

1.2.4 邊界條件

1）計(jì)算電機(jī)內(nèi)的流體場(chǎng)分布時(shí)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(fēng)溝入口速度為5.5 m/s，內(nèi)風(fēng)扇入口速度為15 m/s；

2）轉(zhuǎn)子內(nèi)流場(chǎng)屬于旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，采用多重參考坐標(biāo)系。

1.2.5 數(shù)學(xué)模型

湍流方程：重整化群（RNG）k-ε方法是對(duì)Navier-Stokes方程用重整化群的數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出來的模型。該模型中的恒定值與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型有區(qū)別，增加新的變量。渦耗散率的輸運(yùn)數(shù)學(xué)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(shí)際特性。RNG k-ε湍流方程為：

2 電機(jī)內(nèi)風(fēng)扇流體場(chǎng)分析

2.1 內(nèi)風(fēng)扇流體場(chǎng)分析

將給定的內(nèi)風(fēng)扇的入口速度值作為初始條件利用流體仿真軟件Fluent對(duì)電機(jī)內(nèi)風(fēng)扇進(jìn)行數(shù)值分析，如圖所示為內(nèi)風(fēng)扇的物理模型圖，本研究中電機(jī)內(nèi)風(fēng)扇由17個(gè)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(chǎn)生將使流體的動(dòng)能下降，從而降低了流體通風(fēng)冷卻的效果，因此今后再設(shè)計(jì)電機(jī)的外殼時(shí)應(yīng)該盡量不要使用截面形狀突然發(fā)生變化的結(jié)構(gòu)。

從圖4中能夠發(fā)現(xiàn)內(nèi)風(fēng)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(fēng)面的流體速度明顯大于背風(fēng)面的流體速度，從右側(cè)的內(nèi)風(fēng)扇區(qū)域的速度矢量截面圖看到內(nèi)風(fēng)扇左右兩側(cè)的流體流動(dòng)分布是不對(duì)稱的，右側(cè)的流速大于左側(cè)的，這是由于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向決定和流體在內(nèi)風(fēng)扇出口處所受的離心力共同決定的。

2.2 電機(jī)原模型定轉(zhuǎn)子溫升計(jì)算

對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析時(shí)要采用分段計(jì)算的方法，否則將全域模型構(gòu)建出來進(jìn)行分析對(duì)計(jì)算機(jī)要求太高。電機(jī)每段鐵心的長(zhǎng)度為40 mm，本文提出采用通風(fēng)溝兩端各20 mm的距離為一個(gè)計(jì)算域，以第五段鐵心段處（即電機(jī)的中間部位）為研究對(duì)象，建模并仿真模擬，并根據(jù)支架處流速來計(jì)算其溫度。電機(jī)溫升模型圖如圖5所示。

如圖6所示為電機(jī)定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝處的溫升云圖，在圖中看出定子通風(fēng)溝中溫度最高達(dá)到381.5 K，并且溫升不是很均勻。轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝中的溫度為360 K，溫度分布比較均勻，能夠直觀發(fā)現(xiàn)溫升最高的具體位置，所以本文在相應(yīng)的位置埋置熱敏電阻來對(duì)電機(jī)運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)并分析。

如圖7所示為電機(jī)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(xiàn)明顯的渦流現(xiàn)象（如右側(cè)的局部放大圖所示），這是因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，流體流速都沿著一個(gè)方向匯集增加，從而導(dǎo)致在定子通風(fēng)溝四個(gè)相對(duì)對(duì)稱的位置出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，這種渦流的存在將導(dǎo)致流體的動(dòng)能有所減少，從定轉(zhuǎn)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(fēng)溝中流體的流動(dòng)形態(tài)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(jī)。

圖8是電機(jī)定轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽鋼和氣隙表面的對(duì)流換熱系數(shù)，從放大圖看到在轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽管表面和定子通風(fēng)槽鋼的兩段處對(duì)流換熱系數(shù)比較大，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使流體的動(dòng)能增加，從而在轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽管處的熱交換明顯增強(qiáng)，冷卻氣體剛進(jìn)入定子通風(fēng)溝處時(shí)，由于截面積突變，使流體運(yùn)動(dòng)速度變大導(dǎo)致熱交換大大增強(qiáng)。氣隙表面存在熱交換不均勻的原因是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)使冷卻氣體的流動(dòng)分布不均衡，從而導(dǎo)致對(duì)流換熱能力變得不同。

2.3 樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證所建物理模型和求解器選擇的合理性，將該電機(jī)運(yùn)行在額定負(fù)載情況下，對(duì)其進(jìn)行溫升試驗(yàn)。將測(cè)溫元件埋置在上文中進(jìn)行數(shù)值分析得到電機(jī)溫升最熱點(diǎn)的位置，通過引線將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)傳輸在顯示屏幕上，將測(cè)試得到的攝氏溫度經(jīng)過換算與數(shù)值分析得到的絕對(duì)溫度進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果和數(shù)值分析得到的結(jié)果存在一定的偏差，但是在誤差允許的范圍內(nèi)，所以證明本研究對(duì)電機(jī)所建立的物理模型和選取的求解器是合理可行的，其試驗(yàn)結(jié)果圖如圖9（a）、9（b） 所示。

對(duì)電機(jī)的定子繞組的最熱點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值分析得到的數(shù)據(jù)如下表所示。數(shù)值分析和試驗(yàn)測(cè)定的結(jié)果存在一定的偏差，其主要原因是在對(duì)電機(jī)建立物理模型時(shí)，槽楔處的尖角和通風(fēng)槽鋼的轉(zhuǎn)角都進(jìn)行了等效處理，這樣處理是為了在對(duì)其剖分時(shí)能夠得到更好的離散結(jié)果，還有在數(shù)值分析中流體都是按照表面光滑的，沒有將實(shí)際中電機(jī)表面的毛刺考慮進(jìn)來，這些都將引起數(shù)值分析和試驗(yàn)測(cè)量存在偏差，試驗(yàn)與數(shù)值分析對(duì)比如表3所示。

3 通風(fēng)槽鋼對(duì)電機(jī)溫升的影響分析

3.1 旋轉(zhuǎn)的通風(fēng)槽鋼對(duì)電機(jī)溫升的影響分析

將通風(fēng)槽鋼以近軸端底端為旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，分別旋轉(zhuǎn)3°、5°，重新建立模型如圖10所示。然后分別對(duì)通風(fēng)槽鋼旋轉(zhuǎn)后的模型進(jìn)行溫升計(jì)算，得到計(jì)算區(qū)域的定轉(zhuǎn)子絕對(duì)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(diǎn)的溫度幾乎沒有改變，轉(zhuǎn)子溫度分布依然比較均勻。由此可知將通風(fēng)槽鋼旋轉(zhuǎn)一定角度并不會(huì)使電機(jī)溫升降低，改善電機(jī)散熱。因?yàn)殡m然旋轉(zhuǎn)通風(fēng)槽鋼后會(huì)改變通風(fēng)槽鋼兩側(cè)的流體流動(dòng)情況，并且使通風(fēng)槽鋼跟繞組間距大的那部分流體流速增加，對(duì)流加劇，對(duì)流系數(shù)變大，但是因?yàn)槔@組是熱源，通風(fēng)槽鋼旋轉(zhuǎn)后，另一側(cè)的氣體因?yàn)殡x繞組近溫度就會(huì)升高，流動(dòng)速度也會(huì)變慢，所以綜合來看，通風(fēng)槽鋼的一側(cè)散熱效果變好，但是另一側(cè)效果變差，最終共同作用的結(jié)果導(dǎo)致定子繞組最熱點(diǎn)溫度并沒有什么變化，所以將通風(fēng)槽鋼旋轉(zhuǎn)一定角度并不會(huì)改變電機(jī)的散熱效果。

3.2 “V”型通風(fēng)槽鋼的流體計(jì)算與溫升分析

通過對(duì)YKK450-4、500kW的電機(jī)模型的流體場(chǎng)分析和溫升計(jì)算，可以看出電機(jī)內(nèi)的通風(fēng)槽鋼對(duì)電機(jī)的通風(fēng)冷卻效果有著重要的影響。在保證通風(fēng)槽鋼長(zhǎng)度不變的情況下，電機(jī)的通風(fēng)槽鋼的遠(yuǎn)軸端沿著繞組外邊界旋轉(zhuǎn)一定角度，使通風(fēng)槽鋼形成自然的V型，重新建模如圖12所示，對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)計(jì)算，電機(jī)的絕對(duì)溫度計(jì)算結(jié)果如圖13所示，從圖中可以看到電機(jī)定子繞組最熱點(diǎn)溫度為377K，比原模型溫度降低了4 K。這是因?yàn)楦淖兺L(fēng)槽鋼形狀后，它周圍氣體的流動(dòng)方向也發(fā)生了改變，從而使對(duì)流增強(qiáng)，流體流動(dòng)速度增加，對(duì)流換熱系數(shù)也變大，更有利于熱交換，所以使電機(jī)溫升降低。然后再在兩個(gè)通風(fēng)槽鋼中間位置加一個(gè)五棱錐體，重構(gòu)模型如圖14所示。

改變通風(fēng)槽鋼形狀并加了五棱錐后的流體跡線圖如圖15所示，對(duì)比兩圖可知，優(yōu)化后流體流動(dòng)形態(tài)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(fēng)槽鋼表面的對(duì)流換熱系數(shù)最大，其值為67.7 W/m2·K，表明冷卻空氣與電機(jī)發(fā)熱元件進(jìn)行熱交換的能力最好，加五棱錐后的V型通風(fēng)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(diǎn)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(fēng)槽鋼的定轉(zhuǎn)子最高溫升，從中可以看到轉(zhuǎn)子區(qū)域溫升也降低了5.1 K，這是因?yàn)榧恿宋謇忮F后渦流變小，流體動(dòng)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(jī)溫升降低。

4 結(jié) 論

1）內(nèi)風(fēng)扇左右兩側(cè)的流體流動(dòng)分布是不對(duì)稱的，右側(cè)的流速大于左側(cè)的，這是電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和流體在內(nèi)風(fēng)扇出口處所受的離心力共同決定的。

2） 對(duì)電機(jī)第五段模型流體場(chǎng)和溫升進(jìn)行求解分析，得到最熱點(diǎn)溫度是381.5 K。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，電機(jī)熱物理模型構(gòu)建正確，求解器選取合理；

3）通風(fēng)槽鋼旋轉(zhuǎn)一定角度后，通風(fēng)槽鋼兩側(cè)流體流動(dòng)發(fā)生變化，導(dǎo)致一側(cè)對(duì)流換熱系數(shù)變大，一側(cè)變小，共同作用導(dǎo)致電機(jī)溫升幾乎沒有發(fā)生變化。

4）采用V型通風(fēng)槽鋼后定子繞組最熱點(diǎn)溫度為377 K，比原模型溫度降低了4 K，電機(jī)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(diǎn)溫升降低了6 K，轉(zhuǎn)子溫升也有所降低，電機(jī)通風(fēng)冷卻效果得到了明顯的改善。

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（編輯：劉素菊）