中型高压电机内风扇流体分析与温升计算

温嘉斌 刘艳翠 姜天一 朱建良 苏勇

摘 要：以一台YKK450-4、500kW的中型高压异步电动机为例，依据电机实际尺寸，建立内风扇物理模型，并分析了内风扇流体流动情况。对中高压型异步电机三维定转子径向通风沟和与之相邻的铁心段进行建模，通过有限体积法对模型进行求解。得到计算区域的流体流动情况、定转子通风沟内流体温升分布云图等。在不改变通风槽钢长度的情况下，将通风槽鋼以近轴端底端为旋转中心旋转一定角度，重新建模计算电机温升。再将通风槽钢的形状改成自然的V型，重新建模分析计算，探究不同形状的通风槽钢会对通风沟内流体流动及传热产生怎样的影响。然后在两个通风槽钢中间位置加了一个五棱锥体，探究其流体流动情况。最后进行优化配合，找到改善电机散热的最好方案。

关键词：中型高压异步电动机；通风槽钢；流体场；温度场；优化设计

中图分类号：TM 301.4

文献标志码：A

文章编号：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系列电机是冷却系统分为内外两个风路的笼型转子电机。YKK系列中高压型异步电机内风路由端部、定转子、另一侧端部和内风扇组成。因为电机的内部风路是不与外界接触的封闭式结构，电机的各个部分在电机运行时热量难以及时散发出去，冷却系统负担加重[1-3]。所以通过了解电机内部的流体流动情况，所以优化电机通风结构，找到使电机温升降低的方法十分重要。

电机内风路流体与传热的计算方法有热路法，等效热网络法和有限体积法。传统的热路方法计算温升，不但准确性较低，而且只能估算绕组和铁心的平均温度。这对于电机特别是大型电机的安全运行过程是一个重要的限制因素[4]。等效热网络法对硬件资源要求低，但网络参数的设置与计算的合理和准确度将直接影响整体的计算精度，很有局限性[5-6]。有限体积法边界适应性好，可以减少数值分析中的假设条件和经验公式的使用，不仅能够预测电机的温度分布，还可以显示电机的最高和最低温度[7-10]。

本文采用有限体积法对电机流体运动形态和流固耦合温升计算进行详细分析，该方法对流固接触面的解决办法是将对流散热系数作为求解公式中的变量来等效，这样就能根据流速来实时的改变流固接触面的对流传热值，从而使数值分析的仿真环境与电机真正运行状况更加符合。天津大学的安蔚瑾对定子的三维温度场进行了数值模拟[11]。哈尔滨理工大学的李伟力研究了通风沟排列方式对永磁同步电机转子流体场和温度场的影响[12]。Y.C.Chen等学者则将实测与仿真结合起来，分析了在不同的速度下，电机内部的散热情况[13]。但国内外学者很少有从改变通风槽钢方面去研究，所以本文在通风槽钢长度不变的情况下，对内风扇进行建模，并旋转通风槽钢且改变其形状，探究不同形状通风槽钢对电机温升的影响。

1 物理模型与数学模型

1.1 物理模型

电机冷却气体通风结构示意如图1所示，内部风路的转子支架处放置挡风板对流体流动方向进行改变，在电机左端放置离心式风扇，利用该风扇的旋转产生强大的压力，驱动内部风路流体往复运动，再通过冷却器对内风路的高温流体进行降温处理。内部流体先后通过定子一侧的绕组端部、转子支架处的轴向通风沟、转子径向风路、定转子空隙、定子径向风路、离心风扇、冷凝器，最终进入定子绕组端部组成循环网络。图中黑色的实线指示是内部冷却流体的运动形态。

1.2 数学模型及求解条件

1.2.1 电机基本技术参数

电机基本技术参数如表1所示。

1.2.3 基本假设

1）径向通风沟内流体的雷诺数较大，属于湍流，因此采用湍流模型对径向通风沟内流体场进行求解[14]；

2）把槽楔两端尖角等效成圆弧状。忽略通风沟内流体的重力和浮力；忽略股线间绝缘和接触热阻[15]；

3）忽略铁心中的谐波损耗以及由于绕组的挤流效应引起的附加损耗[16]；

4）假定在模型中出现的各种介质的物理参数不随温度变化[17]；

5）电机内流体的流速远远小于声速，故将其视为不可压缩流体；

6）電机稳定运行时，内部流体的流动处于稳定状态，属于定常流动。

1.2.4 边界条件

1）计算电机内的流体场分布时采用流量入口和自由出口的边界条件，流量为1.94 kg/s；第五段通风沟入口速度为5.5 m/s，内风扇入口速度为15 m/s；

2）转子内流场属于旋转流场，采用多重参考坐标系。

1.2.5 数学模型

湍流方程：重整化群（RNG）k-ε方法是对Navier-Stokes方程用重整化群的数学方法推导出来的模型。该模型中的恒定值与标准k-ε模型有区别，增加新的变量。涡耗散率的输运数学方程从精确的方程中求解得出，使得公式能够更加符合湍流的实际特性。RNG k-ε湍流方程为：

2 电机内风扇流体场分析

2.1 内风扇流体场分析

将给定的内风扇的入口速度值作为初始条件利用流体仿真软件Fluent对电机内风扇进行数值分析，如图所示为内风扇的物理模型图，本研究中电机内风扇由17个扇叶组成，扇叶的具体尺寸如图2展示。

从图3能够看出，在外壳的直角处还是存在大量的涡流，这些涡流的产生将使流体的动能下降，从而降低了流体通风冷却的效果，因此今后再设计电机的外壳时应该尽量不要使用截面形状突然发生变化的结构。

从图4中能够发现内风扇的最大速度在扇叶的最外边缘处，最大速度在64.9～92.7 m/s之间，迎风面的流体速度明显大于背风面的流体速度，从右侧的内风扇区域的速度矢量截面图看到内风扇左右两侧的流体流动分布是不对称的，右侧的流速大于左侧的，这是由于电机的旋转方向决定和流体在内风扇出口处所受的离心力共同决定的。

2.2 电机原模型定转子温升计算

对电机温度场进行分析时要采用分段计算的方法，否则将全域模型构建出来进行分析对计算机要求太高。电机每段铁心的长度为40 mm，本文提出采用通风沟两端各20 mm的距离为一个计算域，以第五段铁心段处（即电机的中间部位）为研究对象，建模并仿真模拟，并根据支架处流速来计算其温度。电机温升模型图如图5所示。

如图6所示为电机定转子通风沟处的温升云图，在图中看出定子通风沟中温度最高达到381.5 K，并且温升不是很均匀。转子通风沟中的温度为360 K，温度分布比较均匀，能够直观发现温升最高的具体位置，所以本文在相应的位置埋置热敏电阻来对电机运行进行实时在线监测并分析。

如图7所示为电机沿Z轴方向的流体迹线图截面图，从图中看到在A、B、C和D处出现明显的涡流现象（如右侧的局部放大图所示），这是因为电机转子旋转时，流体流速都沿着一个方向汇集增加，从而导致在定子通风沟四个相对对称的位置出现涡流现象，这种涡流的存在将导致流体的动能有所减少，从定转子温度图也能够看出在该四处地方的温升比较大。在定子通风沟中流体的流动形态比较好，这样可以带走定子表面更多的热量，从而能够更好地冷却电机。

图8是电机定转子通风槽钢和气隙表面的对流换热系数，从放大图看到在转子通风槽管表面和定子通风槽钢的两段处对流换热系数比较大，这是因为转子旋转使流体的动能增加，从而在转子通风槽管处的热交换明显增强，冷却气体刚进入定子通风沟处时，由于截面积突变，使流体运动速度变大导致热交换大大增强。气隙表面存在热交换不均匀的原因是转子旋转使冷却气体的流动分布不均衡，从而导致对流换热能力变得不同。

2.3 样机试验验证

为了验证所建物理模型和求解器选择的合理性，将该电机运行在额定负载情况下，对其进行温升试验。将测温元件埋置在上文中进行数值分析得到电机温升最热点的位置，通过引线将实时监测的数据传输在显示屏幕上，将测试得到的摄氏温度经过换算与数值分析得到的绝对温度进行对比，试验测量的结果和数值分析得到的结果存在一定的偏差，但是在误差允许的范围内，所以证明本研究对电机所建立的物理模型和选取的求解器是合理可行的，其试验结果图如图9（a）、9（b） 所示。

对电机的定子绕组的最热点进行测试，得到的试验数据与数值分析得到的数据如下表所示。数值分析和试验测定的结果存在一定的偏差，其主要原因是在对电机建立物理模型时，槽楔处的尖角和通风槽钢的转角都进行了等效处理，这样处理是为了在对其剖分时能够得到更好的离散结果，还有在数值分析中流体都是按照表面光滑的，没有将实际中电机表面的毛刺考虑进来，这些都将引起数值分析和试验测量存在偏差，试验与数值分析对比如表3所示。

3 通风槽钢对电机温升的影响分析

3.1 旋转的通风槽钢对电机温升的影响分析

将通风槽钢以近轴端底端为旋转中心进行旋转，分别旋转3°、5°，重新建立模型如图10所示。然后分别对通风槽钢旋转后的模型进行温升计算，得到计算区域的定转子绝对温度分布云图如图11所示。从图中可以看到定子绕组最热点的温度几乎没有改变，转子温度分布依然比较均匀。由此可知将通风槽钢旋转一定角度并不会使电机温升降低，改善电机散热。因为虽然旋转通风槽钢后会改变通风槽钢两侧的流体流动情况，并且使通风槽钢跟绕组间距大的那部分流体流速增加，对流加剧，对流系数变大，但是因为绕组是热源，通风槽钢旋转后，另一侧的气体因为离绕组近温度就会升高，流动速度也会变慢，所以综合来看，通风槽钢的一侧散热效果变好，但是另一侧效果变差，最终共同作用的结果导致定子绕组最热点温度并没有什么变化，所以将通风槽钢旋转一定角度并不会改变电机的散热效果。

3.2 “V”型通风槽钢的流体计算与温升分析

通过对YKK450-4、500kW的电机模型的流体场分析和温升计算，可以看出电机内的通风槽钢对电机的通风冷却效果有着重要的影响。在保证通风槽钢长度不变的情况下，电机的通风槽钢的远轴端沿着绕组外边界旋转一定角度，使通风槽钢形成自然的V型，重新建模如图12所示，对其进行温度场计算，电机的绝对温度计算结果如图13所示，从图中可以看到电机定子绕组最热点温度为377K，比原模型温度降低了4 K。这是因为改变通风槽钢形状后，它周围气体的流动方向也发生了改变，从而使对流增强，流体流动速度增加，对流换热系数也变大，更有利于热交换，所以使电机温升降低。然后再在两个通风槽钢中间位置加一个五棱锥体，重构模型如图14所示。

改变通风槽钢形状并加了五棱锥后的流体迹线图如图15所示，对比两图可知，优化后流体流动形态变得更好，涡流损耗也变得更小。

从图16中能够看出，加五棱锥后的V型通风槽钢表面的对流换热系数最大，其值为67.7 W/m2·K，表明冷却空气与电机发热元件进行热交换的能力最好，加五棱锥后的V型通风槽钢流体流量分配更加均匀，流速更加合理。

从图17可以看出定子绕组最热点温度为375 K，与原模型相比降低了6 K。表4给出了不同形状通风槽钢的定转子最高温升，从中可以看到转子区域温升也降低了5.1 K，这是因为加了五棱锥后涡流变小，流体动能损失也减小，流体速度的降低较少，从而带走更多的热量，所以电机温升降低。

4 结 论

1）内风扇左右两侧的流体流动分布是不对称的，右侧的流速大于左侧的，这是电机的旋转方向和流体在内风扇出口处所受的离心力共同决定的。

2） 对电机第五段模型流体场和温升进行求解分析，得到最热点温度是381.5 K。对比实验数据，电机热物理模型构建正确，求解器选取合理；

3）通风槽钢旋转一定角度后，通风槽钢两侧流体流动发生变化，导致一侧对流换热系数变大，一侧变小，共同作用导致电机温升几乎没有发生变化。

4）采用V型通风槽钢后定子绕组最热点温度为377 K，比原模型温度降低了4 K，电机散热效果得到改善，加五棱锥后涡流明显减少，定子绕组最热点温升降低了6 K，转子温升也有所降低，电机通风冷却效果得到了明显的改善。

参 考 文 献：

[1] WEN Jiabin， ZHENG Jun.Numerical analysis of the external wind path for medium-size high-voltage asynchronous motors[J]. Applied Thermal Engineering， 2015，（30）： 869.

[2] 丁树业，郭保成，孙兆琼. 永磁风力发电机通风结构优化及性能分析[J].中国电机工程学报，2013，33（9）：33.

DING Shuye ，GUO Baocheng， SUN Zhaoqiong. Ventilation structure optimization and performance analyses of permanent magnet wind generators[J]. Proceedings of the CSEE，2013，33（9）：33.

[3] CHANG C C， KUO Y F， WANG J C， et al. Air cooling for a large-scale motor[J]. Applied Thermal Engineering， 2010， （30）： 1360.

[4] 魏永田，孟大伟，温嘉斌.电机内热交换[M].北京：机械工业出版社，1998：146-148，190-205.

[5] 汪书苹，赵争鸣，冯垚径. YKK355-630系列高压三相异步电动机高效风扇的设计[J]. 清华大学学报（自然科学版），2009，49（01）：9.

WANG Shuping， ZHAO Zhengming， FENG Yaojing， Design of high efficiency fan for series YKK355-630 high voltage three phase asynchronous motors[J]. Journal of Tsinghua University-Science and Technology， 2009，49（01）：9.

[6] 周封，熊斌，李偉力，等. 大型电机定子三维流体场计算及其对温度场分布的影响[J]. 中国电机工程学报，2005，24（25）：128.

ZHOU Feng， XIONG Bin， LI Weili， et al. Numerical calculation of 3D stator fluid field for large electrical machine as well as influences on thermal field distribution[J]. Proceedings of the CSEE， 2005，24（25）：128.

[7] 路义萍，洪光宇，汤璐，等. 多风路大型空冷汽轮发电机三维流场计算[J]. 中国电机工程学报，2013，33（2）：133.

LU Yiping， HONG Guangyu， TANG Lu， et al. Calculation of 3D flow field of large air-cooled turbo-generators with multi-path ventilation[J]. Proceedings of the CSEE， 2013，33（2）：133.

[8] STREIBL B， NEUDORFER H.Investigating the air flow rate of self-ventilated traction motors by means of computational fluid dynamics[J]. International Symposium on Power Electronics， Electrical Drives， Automation and Motion， 2010：736.

[9] 丁树业，葛云中，徐殿国，等. 1.5MW双馈风力发电机内流体场分析[J]. 中国电机工程学报，2012，21（32）：93.

DING Shuye， GE Yunzhong， XU Dianguo， et al.， Analyses of fluid field inside a 1.5MW doubly-fed wind generator[J]. Proceedings of the CSEE， 2012，21（32）：93.

[10] HUAI Y， MELNIK RV， THOGERSEN P B. Computational analysis of temperature rise phenomena in electric induction motors[J]. Applied Thermal Engineering， 2003， （23）： 779.

[11] 安蔚瑾，许红静，郭伟，等. 水轮发电机定子三维温度场数值模拟[J]. 天津大学学报，2008，8（41）：967.

AN Weijin， XU Hongjing， GUO Wei， et al. Numerical simulation of three-dimensional temperature field for stator of hydro-generator[J]. Journal of Tianjin University， 2008，8（41）：967.

[12] 李伟力，王耀玉，黄东洙，等. 转子通风结构对永磁电机转子流体场和温度场的影响[J]. 北京交通大学学报，2015，2（39）：48.

LI Weili， WANG Yaoyu， HUANG Dongzhu， et al. Influence of the rotor ventilation structure on the rotor fluid and temperature field of the PMSM[J]. Journal of Beijing Jiaotong University，2015，2（39）：48.

[13] CHEN Y C， CHEN C L.CFD modeling for motor fan system[C]//IEEE International Electric Machines and Drives Conference， 2003：764.

[14] 路义萍，丰帆，孙明琦，等.同步电机定子与气隙流场数值计算与分析[J].电机与控制学报.2011，15（8）： 47.

LU Yiping， FENG Fan， SUN Mingqi， et al. Numerical calculation and analysis of fluid flow field of stator and gap of a synchronous machine[J]. Electric machines and control， 2011， 15（8）： 47.

[15] L Weili， G Chunwei， C Yuhong. Influence of rotation on rotor fluid and temperature distribution in a large air-cooled hydro generator[C]//IEEE Conf. Publ.， 2013：117.

[16] NAKAHAMA T， BISWAS D， KAWANO K， et al. Improved cooling performance of large motor using fans[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion， 2006， 21（2）： 324.

[17] 丁樹业. 大型发电机定子复杂结构内流体流动与传热特性的研究[D].哈尔滨理工大学，2008.

[18] FUJITA M， KABATA Y， TOKUMASU T， et al. Air-cooled large turbine generator with multiple-pitched ventilation ducts[C]// 2005 IEEE International Conference on Electric Machines and Drives， San Antonio USA， May 2005.2005：910.

[19] 李伟力，袁世鹏，霍菲阳，等. 基于流体传热理论永磁风力发電机温度场计算[J]. 电机与控制学报，2009（9）：57.

LI Wei-li，YUAN Shipeng，HUO Feiyang，et al. Calculation of temperature field of PM generator for wind turbine based on theory of fluid heat transfer[J]. Electric Machines and Control， 2019（9）：57.

[20] 孟大伟，刘兆江，孙兵成. 采煤机用防爆型水冷电机的设计[J]. 哈尔滨理工大学学报，2009，02：55.

MENG Dawei， LIU Zhaojiang，SUN Bingcheng.Design of explosion-proof motor with water-cooling system for coal Excavating[J]. Harbin University of Science and Technology， 2009，02：55.

[21] 戈宝军，安万强，陶大军，等. 氦冷驱动电机转子端部温度场仿真[J]. 哈尔滨理工大学学报，2014，04：1

GE Baojun， AN Wanqiang， TAO Dajun，et al. Simulation of the temperature field of helium-cooled driving motor rotor end [J]. Harbin University of Science and Technology， 2014，04：1.

[22] 王芳，高斯博，汤文侠，等. 大型水氢氢冷却汽轮发电机定子温度分布[J]. 哈尔滨理工大学学报，2015，01：26.

WANG Fang， GAO Sibo， TANG Wenxia， et al. Temperature distribution of large water-hydrogen-hydrogen cooled turbo-generator stator[J].Harbin University of Science and Technology，2015，01：26.

（编辑：刘素菊）