紧凑型高压三相异步电动机内风扇优化设计

孟大伟，冯守智，何金泽

(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

YJKK 系列电机是在原YKK 中型高压电机基础上研发的新产品，其同容量电机中心高平均降低两个等级，功率密度相应提高。由电机几何相似定律，功率密度的增加势必会使内部散热问题突显出来，有时导致电机的温升达到限值。因此必须要改进冷却系统以保证电机安全可靠运行。

本文以YJKK 2500kW-4p 电动机为例，利用有限体积法，对整个内风路流体域进行建模计算，分析以风扇为主的整个流体域的流体流动、流量随压强变化的情况。计算电机正常运行时所需的风量和风压，同时考虑到实际生产的工艺性问题，确定合理可行的风扇设计方案。

1 半径向叶片风扇的设计

1.1 风扇基本结构

YKK 电机风扇采用后倾离心式风扇的设计，叶片型线为直线，此外型线还有圆弧和螺旋线。螺旋线比较复杂，工艺难度大，对厂家来说加工很难完成。通过对原9 叶片后倾风扇的详细分析，对风扇叶片做了改进。将后倾叶片改为半径向叶片，型线为圆弧形，为保证整体结构不变，对风扇前、后盘不做改动。

1.2 风扇基本尺寸的确定

叶片顶部平均直径D1和叶片根部平均直径D2尺寸保持不变。与电机内风路流体域计算相关的基本参数如表1 所示。

表1 与电机内风路流体域计算相关的基本参数

半径向叶片入口角β1按“无撞击入口”的原则来设计［1］，计算方法如下

式中，v1—入口径向风速，m/s;QH—风量，m3/s;D1—风扇入口直径，m;b1—风扇入口宽度，m;0.9—系数，考虑叶片厚度影响。

由v1值再按式(2)求出β1

式中，u1=πD1n/60，n—转速，r/min;μ—计及粘滞力引起的空气滞后系数，μ=0.1 ～0.3。得出β1为25°，出口角β2为90°。

1.3 叶片数的确定

叶片数是决定风扇工作性能的又一重要参量，依据式(3)作为参考来确定叶片数目［2］

将算得的N=14.4 取整，即为参考片数。根据工厂的实践结果，对于转速较高的电机，应将求得的N 值再减少2 ～4 片为宜，同时为取得较好的平衡效果，叶片数选取偶数［3］。因此，将原设计的9 叶片后倾风扇改为12 叶片半径向风扇。为便于对比再加入12 叶片后倾风扇以及9 叶片半径向风扇做对比分析计算。四种风扇的部分不同尺寸参数见表2，三维模型如图1 所示。

表2 四种风扇的部分尺寸参数

图1 四种风扇叶片三维模型

2 内风路流体域模型的建立

2.1 内风路流体物理模型的建立

YJKK 系列紧凑型高压电动机的通风结构如图2 所示。电机采用混流通风，整个结构包含内风路和外风路两部分。从中看出在入风口处低温气流进入电机内部，经绕组端部、转轴焊筋板之间的空隙、挡风板，形成高温气流，最后进入出风口直至冷却器中。

图2 YJKK 混流通风结构

由于内风路流体流动的不对称性，计算时需整体建模。考虑到整体建模的复杂性，本文将整机模型分割为内风扇﹑转子和定子三部分。由于定子绕组端部对流体影响较小，为简化模型在此不予考虑。所建整个内风路流体模型如图3 所示。其中内风扇依次采用上述四种风扇分别置入内风路进行分析。

图3 通风系统模型

2.2 内风路流体数学模型的建立

根据流体力学理论，电机通风冷却系统的流体可看作是不可压缩流体，其产生的粘性流动为不可压粘性流动，连续性方程和Navier-Stokes 方程为［4，5］

式中，v—速度;f—质量力;ρ—流体的密度;P—压强;μ—流体的运动粘度。内部流体流动是属于湍流状态，需加湍流运动方程［6］，本文采用k-ω 湍流数学模型分析内部流体场，根据流体力学理论得出湍流数学模型如下

式中，φ、V—通用变量;ρ—流体密度;Γ—扩散系数;S—源项。

内风路流体计算的基本假设为

本文是在仅考虑电机稳态运行时流体流动与传热的情况，故属定常流动，上述方程中不含时间项，这样可简化式(4)和式(5)。

(1)由于各部分流体的Reynolds 数很大，流动属湍流，因此采用湍流模型进行求解［7］。

(2)在标准大气压下采用空冷的电机中，可忽略浮力和重力的影响［8］。

(3)在区域内流体流速远小于声速，所以马赫数很小，即可把电机内的流体作为不可压缩流体来处理［9］。

(4)电机铁心两侧端部对流体影响较小，且剖分网格数量较多，整体建模计算时可不予考虑。

内风扇流体域流动计算的设置条件为:①模型采用压力入口和压力出口边界条件;②电机转速为1 450r/min;③压力出口设置出口压力从0Pa开始计算，以50Pa 为步长，重复计算直到流量趋于零，约1 200Pa。

3 内风路与风扇流体域计算与结果分析

对整个计算流体域进行剖分，共获450 万个单元，其中风扇部分170 万个单元，其余部分280万个单元。

本文利用计算流体力理论和有限体积法对电动机内风路流体域进行了仿真计算，得到内风路流体域的流体分布。整个内风路流体域流体迹线图如图4 所示。从图中可以看出，右侧流体为从冷却器中流入内风路的流体，经定转子到达左侧内风扇位置，进而经内风扇压力作用流入冷却器中，完成一个循环。

图4 整个流体域流体迹线图

对于9 叶片后倾风扇实验测得流量为1.87kg/s，建模计算仿真所得计算流量为1.953kg/s，计算误差为4.44%。由于电机实际运行中环境因素及仿真建模时未考虑端部绕组对流体阻力，因此计算流量略大于实际测得流量，证明采用的流体场所建模型合理。

图5 给出了沿轴向方向上经过风扇叶片中部做截面的速度矢量对比图。在同一坐标显示范围内，根据箭头疏密和颜色深浅可见，如图(a)和图(d)所示，12 叶片半径向风扇的出风速度大于9 叶片后倾风扇。

图5 风扇流体域速度矢量图

为了更加清楚地看到风扇叶片部分的速度情况，在图6 中给出了风扇的速度矢量详细图。根据箭头疏密和颜色深浅可见，12 叶片半径向风扇的叶片外缘处风速大于9 叶片后倾风扇的叶片外缘处风速。

图6 风扇速度矢量对比图

图7 显示了原9 叶片后倾风扇、改进后的12 叶片半径向风扇以及12 叶片后倾风扇和9 叶片半径向风扇的压力和流量之间的变化曲线，即PQ曲线。

图7 四种风扇的PQ 曲线

从图7 曲线可以看出风扇的流量是随着出口静压的增大而减小的，风扇的PQ 曲线能清晰直观地显示出风扇的性能。在电机内部风阻曲线确定的情况下，风阻曲线与PQ 曲线的交点即为风扇的工作点。可以看出12 叶片后倾风扇和9 叶片半径向风扇的流量很小，远不满足工作要求。9 叶片后倾风扇和12 叶片半径向风扇在额定工作点时，对应的出口静压分别为766.61Pa和842.12Pa。在所对应的出口静压条件下，这两个风扇的对应流量分别为2.053kg/s 和2.468kg/s，即采用12 叶片半径向风扇内风路流体域的流体速度将大于原9 叶片后倾风扇，因此改进设计风扇的冷却效果要好于现行的风扇。

4 结语

通过对一台YJKK 紧凑型箱式电动机额定运行时流体场计算及风扇运行性能分析，得到如下结论。

(1)电机内三维流体场全域分析计算结果与实测值比较吻合，表明采用的计算模型可行，基本假设与边界条件合理。

(2)计算得出了内风扇压力随流量变化的性能曲线，同时为后续温度场计算提供理论依据。

(3)通过四种风扇对比计算分析，表明了新设计的半径向叶片风扇的合理性与可行性。

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