高压方箱电机内风路分析

2019-04-22

防爆电机 2019年2期

(国家防爆电机工程技术研究中心，黑龙江佳木斯 154002)

0 引言

采用径向式冷却系统的电机利用安装于两端的轴流风扇或者其他能产生辅助风压的零件，将冷却介质从两端抽入，通过铁心中的风道，从中部由径向排出。这种冷却系统具有良好的对称性，其通风损耗较小，散热面积较大，因此广泛的应用于中型以上的电机中。径向通风的优点是通风损耗小，散热面积大，沿电机轴向长度上的温度分布比较均匀。

1 YXKK 560电机内风路分析

研究的模型(YXKK 560-4P电机)采用的是径向通风，即冷却空气由两侧对称进入，如图1所示。冷却空气的主要部分经定子线圈端部→转子轭部风路→转子径向风道→气隙→定子径向风道，最后经定子铁心中部排出。这种通风系统便于利用转子上能够产生风压的零部件(如通风槽片)的鼓风作用，因而得到广泛应用。由于定子绕组端部散热面积较大，所以靠近端部处温升较低，由于出槽口处铁心表面的散热效果好，故绕组在该点温度最低。该通风方式的通风损耗小，散热面积大，沿电动机轴向的温升分布比较均匀。铁心部分的绕组温升基本相同，总体来说绕组各部分温升差异很小。其缺点是风扇外径一般都比转子外径小，所以风扇的风压受到限制，该通风系统适用于中等转速的电机，并需要设置径向通风道，因而使得电动机轴向尺寸增大，也增加了加工成本。

图1 YXKK径向通风系统风路示意图

1.1 模型建模

1.1.1 网格划分

数值模拟的空气域划分为三部分：间隙空气域、静止空气域和旋转空气域。

网格是数值计算的基本单元，网格划分的好坏直接影响了数值计算的效果。本文网格划分采用ICEM，在处理上根据不同流体区域进行不同的网格划分尺度，下面对每个流体区域的网格划分进行展示。

(1)间隙空气域网格

间隙空气域的空气流道狭窄，须采用较密网格，限制体积单元的element size为0.01m,整个间隙空气域网格数量约为1.7万，如图2所示，采用Automatic网格划分方法。

图2 间隙空气域网格

(2)静止空气域网格

静止空气域较大，网格数量较多，约为727万，限制体积单元的element size为0.02m，采用Automatic网格划分方法，网格如图3所示。

图3 静止空气域网格

(3)旋转空气域网格

依然采用Automatic网格划分方法，限制体积单元的element size为0.01m。旋转空气域网格数量约为220万，网格显示如图4。

图4 旋转空气域网格

1.1.2 基本假设和边界条件设置

基本假设

(1)由于电机中流体的雷诺数很大(Re>2300)，流体属于紊流，因此采用紊流模型对电机内流体场求解。

(2)忽略浮力和重力对电机内流体场的影响。

(3)由于只研究电机内流体流速的稳定状态，即定常流动，因而方程不含有时间项。

(4)电机内流体场中，流体流速远小于声速，即马赫(Mach)数Ma很小，故将流体作为不可压缩流体考虑。

边界条件设置

(1)间隙空气域、静止空气域和旋转空气域之间的交界面，均采用交界面边界条件。

(2)电机旋转部分以及旋转空气域的转速与电机额定运行时转速相同，本课题为1485r/min。为了比较分析结果，我们计算了正向旋转和反向旋转两个工况。从非轴伸端看为顺时针旋转，我们取为+1485 r/min，命名正向旋转, 从轴伸端看为顺时针旋转，我们取为-1485 r/min，定义为逆向旋转。

(3)电机固壁外表面均采用无滑移光滑壁面。

2 内风路流场分析结果

2.1 流场流线

图5为整个流场的流线图。当正向旋转时，从非轴伸端可以看到，由于风扇的顺时针旋转，风扇周围的流速较高，冷却器内流速较低，如图5(a)、图5(b)所示。当逆向旋转时，即从轴伸端看为顺时针旋转，从速度的流线图可以看到，流线在冷却器中较少，大部分都在机座内，其冷却效果没有正向旋转明显，如图5(c)、图5(d)所示。从机座内来看，逆向旋转比正向旋转在定转子周围分布的流线更多、更均匀，说明在机座内散热，逆向旋转比正向旋转更有优势，局部温升比正向旋转要低。