Fluent在YJ146A异步牵引电动机风路计算的应用

王彩霞，景运革

(运城学院公共计算机教学部,山西运城 044000）

Fluent在YJ146A异步牵引电动机风路计算的应用

王彩霞，景运革

(运城学院公共计算机教学部,山西运城 044000）

为了解决YJ146A电机发热严重的问题,通过使用F luent专业的计算流体力学软件对比不同通风结构的冷却效果,并推荐最佳通风方式、风路设计、风扇结构等,以达到优化设计的目的,并应用到电机制造中.

风扇 轴承 通风结构 Fluent软件

YJ146电机是为轻轨车配套研制的牵引电机，在其安装位置及空间的约束下，电机采用了全封闭结构，体积小、重量轻，功率密度大，电机发热严重.据资料显示，在目前防护等级及冷却方式条件下原形电机发热严重，绕组温度在220℃左右，机座最高温度在180℃左右.因此为了解决原型电机发热严重的问题，需要对原型电机的通风方式、风路设计、风扇结构等进行优化，提出电机最初结构设计为内、外循环风结合，并通过在主风扇上打孔形成轴承冷却风路.本计算使用计算流体力学软件FLUENT详细分析额定工作状态下电机风路的流动和传热，并综合分析内、外风路及轴承冷却风路，在不影响电机最初结构设计的前提下进一步优化风路及风扇，以满足《YJ146A异步牵引电动机风路计算技术条件》中的要求.

1 计算条件及方案

1）该电动机主要包括以下模型：机座、定子铁心、定子绕组、前端盖、后端盖、导条端环、转子铁心、转轴、轴承、主风扇和副风扇.

2）该电动机的额定转速为2089 r／min.

3）该电动机的损耗功率为11 kw，其中定子铁心2.2 kw，定子绕组4.67 kw，导条端环4.1 kw，轴承0.03 kw.

4）该电机的冷却方式为IC41，即机壳表面冷却，机内自循环的冷却体系.目前拟采用机内全封闭，轴端自带风扇冷却机座内通风道的结构.

5）电机内部为IP54的防护等级，即防尘防溅，目前采用了机内全封闭结构；外部冷却风路为IP23防护等级，加装进风板，可防止12×12mm的固体物质进入，同时防淋水.

6）机座及后端盖采用球墨铸铁材质，前端盖采用铸铝材质，定子铁心和转子铁心均采用带绝缘层的硅钢片材质，主、副风扇采用铸铝材质，绕组采用表面带绝缘材料的紫铜材质，导条端环采用黄铜材质，转轴和轴承采用钢材质.

7）由于本计算只能在不影响电机最初结构设计的前提下进一步优化风路及风扇，所以考虑通过改变主风扇与前端盖的间距和改变主风扇上开孔的大小对风路和风扇进行优化，确定了6个不同的计算方案，见表1.

表1 计算方案列表

本计算即通过对该6个方案的计算结果进行对比和分析，以确定最优化的方案，并满足《YJ146A异步牵引电动机风路计算技术条件》中的要求.

2 模型的建立

用GAMBIT产生所需的几何结构以及网格见图1[2]，网格生成后被FLUENT读入，使用FLUENT解算器进行计算分析.

图1 用GAMBIT产生的计算模型图

3 计算参数的选取

3.1 内、外风压的确定

对于外循环风路，根据FLUENT计算出的结果，外风压为1000 Pa时，外风道风量为0.2067m3／s.根据通风管路特性，若外风压取1091 Pa，外风道风量会更大.风机的工作点为风机特性曲线和管路特性曲线的交点.典型的风机性能曲线见图2.

图2 模型6机座温度分布图

风机性能曲线中全压曲线从1100 Pa下降到1000 Pa，流量约增大2／3，故综合考虑，主风扇的工作点选取外风压为1000 Pa，此时风量为0.2067m3／s.

对于内循环风路，根据FLUENT计算出的结果，内风压为500 Pa时，内循环风量为0.0188 m3／s.根据通风管路特性，若内风压取493 Pa，内循环风量会稍小.根据风机性能曲线，全压曲线的风压增大，其流量会大幅减小，故综合考虑，副风扇的工作点取内风压为500 Pa，此时流量为0.0188m3／s.

3.2 物性参数的确定

其他的各种材质查表即可得到其物性参数，见表2.

表2 各材料物性参数表

4 对流换热系数的确定

4.1 自然对流面的对流换热系数的选取

本计算不考虑电机整体在空气中的相对运动，研究其运转时温度分布情况，故电机外表面按自然对流考虑.通常，自然对流换热系数取10W／（m2·k）.

4.2 冲刷面的对流换热系数计算

电机在运行中，外风路的冷却风会对电机的后端盖外表面进行不断的冲刷，该冲刷面的对流换热系数应按强制对流换热考虑.根据FLUENT计算出的外通道流动情况（流速最高达36m／s），考虑到实际冲刷面只有大部分面被冲刷，计算整个冲刷面的对流换热系数时，速度按30m／s计算.

4.3 考虑辐射换热等效

由于电机内部结构复杂,用FLUENT计算时其软件自带的辐射计算模型已不再适用,针对这部分辐射换热量的等效处理[1],经计算表面1的对流换热系数96W/(m2·k),表面2的对流换热系数取50W/ (m2·k),其余表面的对流换热系数均取10W/(m2·k).

5 环境温度

根据一般的实验工作环境，本计算环境温度取25℃.

5.1 计算结果及分析

用FLUENT分别计算6个模型，得到各模型的机座最高温度，轴承最高温度，绕组最高温度，外循环通风量和轴承冷却通风量，见表3.

表3 各模型的计算结果 单位：℃

由表3可以看出，增大主风扇与前端盖的间距，外循环通风量和轴承冷却通风量基本不变，机座、绕组、轴承的最高温度稍有下降，但下降幅度很小.将主风扇通孔增大一倍，外循环通风量有稍许下降，但轴承冷却通风量增大约一倍；机座和绕组的最高温度基本不变，轴承的最高温度有所下降，但下降幅度很小.由此看来，轴承之所以温度高，主要是由于电机内部温度高，高温物体将热量导热到轴承所致，并不是因为轴承冷却通风量不够.总之，比较各方案的冷却效果，方案6对电机的冷却效果最好.模型6的机座温度分布如图2，绕组温度分布如图3，轴承温度分布如图4，电机纵剖面温度分布如图5.

图3 模型6绕组温度分布图

由机座温度分布图（图2）可以看出，机座的高温部分集中于某一小局部.该局部附近没有外循环冷却风通过，所以导致温度较高，而其他大部分区域温度是较低的，在150℃以下.

由绕组温度分布图（图3）可以看出，绕组的高温部分主要集中在端部.由于内风扇的风压较小，使得内循环风的流速较小，绕组端部的对流换热较弱，其热量主要依靠向机座的导热，如此导致端部温度较高.要进一步降低绕组温度，可以考虑提高内风压.但是，提高内风压对绕组的冷却是有一定局限的.因为绕组通过对流换热将热量传给内循环风，使内循环风温度升高，对流换热温差减小，这样对流换热量增大幅度不是很大，当内风压提高到一定程度，绕组温度并不能降低.

由轴承温度分布图（图4）可以看出，轴承的高温部分也是集中于某一小片区域，其他大部分区域温度都在90℃以下.轴承的高温区域与转轴紧靠，说明轴承的高温主要是由于内部热量导热所致，这也进一步解释了为什么轴承冷却通风量增大对轴承降温影响不大.

图4 模型6轴承温度分布图

图5 模型6电机纵剖面温度分布图

6 结论

本计算通过使用计算流体力学软件FLUENT详细分析各方案在额定工作状态下电机风路的流动和传热，对其冷却结果进行了比较和分析，得出结论：方案6（即主风扇与前端盖的间距为15 mm，主风扇上开孔在11×ø12圆孔基础上开孔面积增大一倍时）对电动机的冷却效果最好.

[1]A H鲍里先科.电机中的空气动力学与热传递[M].北京:机械工业出版社,2001.

[2]王福军.计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2003.

[3]王瑞金,张凯,王刚.Fluent技术基础与应用实例[M].北京:清华大学出版社,2007.

[4]姚征,陈康民.CFD通用软件综述[J].上海理工大学学报,2002,24(2):22-25.

[5]韩占忠,王敬,兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

Application of Fluent in YJ146A Asynchronous Traction M otor W ind Eta Path Computation

WANG Cai－xia，JING Yun－ge
（Public Computer Teaching Department，Yuncheng University，Yuncheng Shanxi，044000）

In order to solve the overhaet problem of YJ146A electricalmachinery，we use FLUENT the specialized computation hydromechanics software contrast to ventilate the structure differently the cooling performance，and recommend the optimal ventilation way，the wind eta path design，the ventilator structure and so on，and have achieved the optimization design the goal.

ventilator；bearing；ventilates the structure；Fluent software

TM343

A

〔编辑李海〕

1674－0874（2010）01－0029－04

2009－09－25

王彩霞（1970－），女，山西运城人，讲师，研究方向：信息安全.