强迫风冷电机温升试验试验方法的研究

韩洪兵

摘 要针对传统强迫风冷电机温升试验通风条件存在的不足，对电机温升和效率进行分析，并基于CFD流体力学计算软件Fluent对电机表面风速进行模拟分析计算，同时测量实际风速，然后设计一种电机试验通风装置，提高通风条件的一致性，减少测量误差。

【关键词】轨道交通风机用电机 强迫风冷 通风条件 温升试验 电机效率

轨道交通风机有相当部分采用轴流风机或轴向离心风机，其特点都是其驱动电机未自带冷却风扇，电机安装在风筒中（见图1），利用风机自身产生的风量和压力对驱动电机进行散热和冷却。而此类电机在进行电机型式试验时就必须进行通风（见图2），否则温升试验通常都不合格，而且也与实际使用工况不符。温升试验的重要性，体现在判定电机是否合格的关键指标和电机效率的计算。但按传统方式进行通风，风速调节难度大，时间长，存在重复性差、误差大的缺点，是电机两侧受风，与实际的圆环状风不符合，同时设计者给出的试验风速通常为风机风筒的平均风速，而不是电机表面的实际风速，同时标准中8.1.2对电机试验通风未做明确规定或很难实现，因此需进行分析和计算，同时设计一种电机试验通风装置，提高通风条件的一致性，减少测量误差。三种风速下效率曲线对比如图3。

1 电机效率测量原理和计算

根据标准GB/T1032-2012，温升试验数据决定了规定温度，规定温度=断电时刻绕组温度—环温+25℃，按常用效率测试方法—B法（测量输入和输出功率的损耗分析法）：定子铜耗、转子铜耗、转差等需换算到规定温度下，规定温度过高的话换算的定、转子铜耗就高，输出功率P2就会变小，即效率就会减小。反之亦然，关系到电机试验的准确性，从以上看出温升试验时的通风条件模拟的重要性。

1.1 试验温度下效率计算

PST=P1-Pmech；Pmech=T×n/9.549；PL=PST-（PS+Pfw+PFe+Pcu1+Pcu2）；PL=AT2+B；Pcu2=（P1-Pcu1-PFe） ×s；Pcu1= 1.5I12R1×（K1+θt）/（K1+θ1）；s=（ns-n）/ns；ns=60×f/p；PS=AT2；其中Pfw、PFe由空载试验确定。

负载试验中测量6个负载点（0.25PN-1.5PN），对PL进行线形回归分析，并计算出斜率A和截距B，若系数γ≥0.95，则说明负载试验有效，误差在范围内。再基于PS与T2成正比的关系，求出各负载点的杂散损耗PS。

1.2 规定温度下效率计算

η=100%×P2/P1；P2=P1-PT；PT=PS+Pfw+PFe+Pcu1S+Pcu2S；Pcu1s=1.5I12R1×（K1+θs）/（K1+θ1）

Pcu2=（P1-PFe-Pcu1s）×ss；ss=s×（K2+θs）/（K2+θt）；θs=θw+25-θb

在試验温度下求出负载点的杂散损耗PS、Pfw、PFe，将定、转子铜耗换算到规定温度下即Pcu1s和Pcu2，P1减去所有损耗之和PT即为P2，最后计算出效率η。

2 基于CFD流体力学计算软件Fluent对电机表面风速进行模拟分析计算

2.1 风机性能一维校核计算

叶轮尺寸如下：叶片进口直径D1；叶片出口直径D2；叶片安装角β1A和β2A；叶片出口宽度b2；叶片进口宽度b1；叶片数量n片；叶轮圆周速度；叶轮出口气流子午速度

；

环流系数

；无限多叶片理论全压

按照预计风机效率65%来计算，则风机理论全压为：

按照已经生产的轴向离心风机环流系数来计算理论压力值，则环流系数为0.8865，风机全压效率按照仿真效率0.65来计算，则得到风机的理论全压为：

2.2 风机性能三维校核计算

2.2.1 叶轮速度、压力计算

从图7可以看出对电机外表面而言，非传动端机座外表面风速最大，越靠近传动端越小，甚至为零，另非传动端中心风速为零，因此实际为圆环状风冷却电机，而试验通风时应予以考虑。

2.2.2 风机内部风速计算

见图6。

3 电机表面风速的测量

3.1 风机性能试验装置

根据GB/T1326-2000中规定的D型试验装置（管道进口和管道出口）进行风机性能试验，将风机调至额定工况点。

3.2 风速测量

用皮托管测出风筒某截面的动压Pd后用公式计算风速v：；

其中：v—风速（m/s）； Pd—动压（Pa）；ρ— 气体密度（kg/m3）

风机性能在测量时，在同一截面上有风筒中心至风筒内壁要测24点的速度，求其平均值作为该截面的气体平均速度。而测量电机表面风速需在风筒上加工测量孔，在电机表面直接测量动压，测量点为8点，再计算出风速。 将风机调整至额定工况后，用皮托管测量截面的动压，将空气密度换算到规定大气压下，经计算发现与Fluent计算的结果基本一致，因此后续的电机试验可以借采用模拟计算的结果来控制风速。

4 电机试验通风装置

4.1 设计

研究一种通风简便的电机试验通风装置和科学有效的方法进行温升试验，减小温升试验的不确定度。试验通风装置（见图7）由变频器、离心通风机、过渡管道、风道组成，其中变频器调频控制通风机流量和压力，过渡管道用来连接通风机和风道，风道靠近被试电机，风道内设置格栅使沿风道内壁旋转的气流调整为平稳的轴向气流，风道内部设置可更换的圆形挡板，使吹向电机的气流为圆环状，符合模拟图6，在风道出风处设置3-4点测量风速，并换算到规定大气压下，再进行温升试验。

4.2 电机温升和负载试验一致性的验证

对同一台电机分别进行3次温升和负载特性试验，结果见表1，前后轴承温升下降是由于轴承进过多次试验后内部油膜已建立，摩擦损耗降低，使前后轴承温升下降。绕组温升基本在60K左右，而通风装置主要用于电机定子绕组的冷却，规定温度和效率结果基本一致，证明该通风装置提高了试验的一致性，减少测量误差。

5 结论

本文针对传统强迫风冷电机温升试验通风条件存在的不足，对电机温升和效率进行分析，并基于CFD流体力学计算软件Fluent对电机表面风速进行模拟分析计算，同时测量实际风速，然后设计了一种电机试验通风装置，并通过多次加以验证，证明试验装置提高通风条件的一致性，减少了测量误差。

参考文献

[1]GB/T 25123.2-2010《电力牵引轨道机车车辆和公路车辆用旋转电机 第2部分：电力变流器供电的交流电动机》.

[2]GB/T1032-2012《三相异步电动机试验方法》.

[3]才家刚，吴亚旗，等编著.电机试验技术及设备手册[M].机械工业出版社，2011.

作者单位

株洲联诚集团 湖南省株洲市 412001endprint