兆瓦级实心转子高速感应电动机通风系统分析

韩力 沈超凡 蔡瑞环 周光厚 王超

摘 要：针对大容量实心转子高速感应电动机损耗密度大、散热困难的问题，以一台10 MW、10 000 r/min的空冷实心转子感应电动机为例，建立了其整体通风域模型，采用计算流体力学（CFD）方法对“两进一出”的通风结构进行了流体场仿真，并分析了通风系统内气体的分布规律;其次，以通风计算结果作为边界条件，基于流固耦合法对该电机定转子三维流体场和温度场进行了建模与求解，得到了温度分布;在此基础上，提出了一种新的“三进两出”通风结构，降低了该电机的最高温度，并通过有限元分析例证了CFD建模与计算结果的正确性;最后，分析了导风管管径、冷却气体类型、轴流风扇进风量对该电机温升的影响。结果表明，该电机采用三进两出的通风冷却结构散热效果更好，可使最高温度降低3.8℃、定子铁心和定子绕组的最高温度分别下降11.7 ℃和7.1 ℃。

关键词：实心转子高速感应电动机;通风系统;流体场;温度场;计算流体力学

中图分类号：TM 355

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2019）07-0038-08

Abstract：To solve the problems of high loss density and cooling difficulty of megawatt solid rotor highspeed induction motor， a model of whole ventilation system was established for a 10 MW， 10 000 r/min solid rotor induction motor with air cooling. The fluid field of its “two in one out” ventilation structure was simulated by computational fluid dynamics （CFD） method and the air distribution features in the system ventilation was analyzed. And then， considering the calculated ventilation results as the boundary conditions， the 3D fluid field and temperature field of the motor were modeled and solved by the fluidsolid coupling method，and the temperature distribution of the motor was obtained. Furthermore， a new ventilation structure named “three in two out” was proposed and could reduce the maximum temperature of the motor. The correction of CFD modelling and solution was verified by comparing the results of finite element analysis. Finally， the influences of cooling pipe diameter， the types of the cooling gases and the intake of axial flow fan on the temperature rise of the motor were analyzed. The results show that the ventilation structure cooling effect of “three in two out” is better than that of “two in one out” and the maximum temperatures of the whole motor， the stator core and the stator winding can be reduced 3.8 ℃，11.7 ℃ and 7.1 ℃ respectively.

Keywords：solid rotor highspeed induction motor; ventilation system; fluid field; temperature field; computational fluid dynamics

0 引 言

高速电机体积小、效率和功率密度高，可省去传统变速装置，一体化程度高，广泛应用于高速磨床、储能飞轮、空气制冷循环系统、天然气输送高速离心压缩机等领域[1-3]，目前已成为国内外电工领域的研究热点之一。

高速电机的突出特点包括转子转速高、定子绕组电流频率高、铁心磁密频率高、功率密度和损耗密度大[4-6]，从而使得高速电机发热严重、散热困难。对于大功率高速电机，为保证转子具有足够强度，通常采用实心转子，这时转子涡流损耗较大，且高速旋转的转子表面会产生较大的风摩损耗，转子发热问题突出[7-8]。此外，高频电流和磁密造成定子铁心和绕组发热严重[9-10]。

为了寻求高速电机的流场与温度变化规律，目前最先进的分析手段是采用计算流体力学（computational fluid dynamics，CFD）的方法对其进行仿真研究。文献[10]对一台75 kW、60 000 r/min的高速永磁电机设计了单一的轴向通风散热结构，并采用CFD方法分析了该电机1/24模型的温升分布;文献[11]对一台117 kW、60 000 r/min的高速永磁电机设计了定子内外油冷的冷却系统，并对该冷却系统进行了温度场的仿真与实验验证;文献[12]对一台1.12 MW、18 000 r/min的高速永磁電机提出了槽内风冷和机壳水冷结合的冷却方式，基于多物理场分析了电机的温度分布。上述研究都是针对于永磁电机，且缺少整机通风系统的研究，在没有试验样机的条件下无法得到温度场计算模型的速度边界条件。此外，目前国内对大功率高速感应电机研究极少。

为此，本文以目前国内预研的容量最大的一台10 MW、10 000 r/min实心转子高速感应电动机为对象，针对样机通风冷却结构，基于CFD方法建立该电机的三维整体通风域模型，并采用流固耦合法建立三维温度场-流体场模型，分析该电机的温度分布特性;在此基础上，提出一种改进的三进两出通风结构，并分析导风管管径、冷却气体类型、进风量等因素对温度分布的影响。

1 高速感应电动机整机通风计算

1.1 电动机主要参数及通风冷却系统结构

10 MW高速感应电动机的主要参数见表1，其结构如图1所示。为了满足机械强度的要求，采用实心转子结构。在定子端部绕组建模中，根据设计参数，考虑了绕组轴向伸出长度及周向旋转的情况，但忽略了绕组换位、压指、绝缘纸等因素。该电机采用“两进一出”的自循环通风冷却方式，冷卻空气从电机端部一部分流经定子端部绕组到定子铁心背部，带走定子端部绕组和定子铁心背部热量;另一部分经气隙与定子槽口通风道，从定子径向通风沟流出，带走实心转子与定子铁心热量，其通风冷却系统结构如图2所示。

1.2 流体域的数学模型

在建立电机内部流体流动的物理模型时，需利用质量守恒方程和动量守恒方程[13-14]：

由于高速电机流道内风速较高，空气流动处于强烈湍流状态，且定子流道内存在转弯及截面积突变情况。对于这种流体应变率较大的情况，流道内的湍流可采用RNG k-ε双方程湍流模型处理。

式中：k为湍动能特征速度;ε为湍动能耗散率特征长度尺度;αk和αε分别为k方程和ε方程的有效普朗特数的倒数;μ为湍流粘性系数;Gk为平均速度梯度引起的湍动能;C1ε为取决于流动状态的变量;C2ε为常量。

1.3 流体域物理模型与边界条件

考虑到该电机为轴向对称结构，利用流道抽取技术，在图1几何模型基础上可建立半个电机的三维流体域模型，如图3所示。

1）风扇入口处采用intakefan边界条件，由轴流风扇特性曲线确定参数，定子背部风腔采用压力出口边界条件;

2）轴向对称面设置为对称边界条件;

3）空气与转子接触面设置为旋转边界，旋转速度1 047 rad/s，其余壁面为无滑移壁面。

1.4 CFD计算结果

通过对上述物理模型进行流体场求解，便可得到其通风计算结果，如表2所示。

2 流体场与温度场耦合求解

2.1 物理模型与边界条件

高速感应电动机转子旋转运动对其内部空气的流动影响很大，温度场和流体场耦合求解属于强耦合类型。但在只需求解传热学变量，不需求解结构变量的情况下，可简化为单向耦合问题。为此，本文采用单向流体场和温度场耦合求解。该电机为周向对称结构，三维求解域模型取一个定子槽距的范围，如图4所示。求解温度场需用到能量方程[13-14]为

将表2的计算结果作为流体场与温度场耦合计算模型的部分边界条件，并根据其结构、空气流动和传热特点，给出其基本假设和边界条件：

1）将定子槽内绕组等效为上下两层铜排导热体，绕组绝缘与接触缝隙等效为铜排外的绝缘层;

2）在保持转子导条总体积和总损耗不变的情况下，将实际的转子导条数由38根等效为48根，使之与定子槽数相等，以有效减小求解区域;

3）定子铁心发热体等效为均匀热源密度，实心转子涡流发热源等效为3层，并赋予相应的热源密度;

4）风路进口采用速度入口边界条件，以通风计算结果设定风速大小，风温为60℃，风路出口采用压力出口边界条件;

5）求解域内不同体的交界面设为耦合交界面，定子铁心端面及背部表面设为散热面，其散热系数由温度场计算的定子径向通风沟散热系数结果来确定;

6）转子表面设为滑移旋转表面，旋转速度为1 047 rad/s，模型两侧设为周期边界条件，其余表面设为无滑移绝热边界。

2.2 材料属性

空气物性随温度变化显著，使用自定义函数来描述空气的热物理属性。此外，电动机内所涉及固体材料热物性参数如表3所示。

2.3 热源激励

通过时变电磁场的有限元分析（finite element analysis，FEA）计算，可获得在变频器供电额定工况下该电机整体域的损耗，如表4所示。由于实心转子涡流损耗显著，热源非均匀分布，将转子热源分为3层（见图4），再分别赋以相应的损耗，可更好的反映其热源不均的情况[15]。

2.4 温度场计算结果及其分析

通过对该电机计算模型进行流体场和温度场的耦合求解，可得到其温度分布，如图5所示。由此可见，该电机最高温度达到139.3 ℃，出现在定子铁心的轴向中间部分，其余部件的最高温度如表5所示。这种“两进一出”的通风结构，其冷却效果还有待改进。

3 通风冷却方案的改进

3.1 通风系统改进

将该电机的通风冷却结构改为新型的“三进两出”，即通过增加定子铁心背部导风管和挡风板，冷却空气由轴向气隙左右两侧及定子铁心中间的6个径向通风沟等3处流入，由定子铁心左右两侧的14个径向通风沟流出。采用新结构的优点是可改变冷却气体在电机内的流动路径，使冷却气体分配更加合理;其不足之处是结构变复杂、风阻会有一定程度的增大，如图6所示。此时，电动机通风结构以及流体域计算模型如图7所示。

此时，通过对流体域计算模型进行CFD求解，可得到其通风计算主要结果，如表6所示。

通过对一个定子齿距范围内的计算模型进行流体场和温度场的耦合求解，得到其内部温度分布，如图8所示。此时，该电机的最高温度为135.5 ℃，出现在实心转子中部，比两进一出通风结构的最高温度139.3 ℃降低了3.8 ℃。

该电机的通风结构改进为三进两出后，冷却效果得到明显改善。下面对其温度分布规律做进一步的详细分析。图9分别为该电机轴向对称中心面和气隙进风口处端面两条路径的径向温度分布，各区域的温度分布对比如表7所示。

由于定子铁心热源密度远大于转子，但通风散热条件更好，其最高温度为127.6 ℃，出现在6～7号径向通风沟之间的铁心处。此时定子铁心、定子绕组和定子绝缘的最高温度分别下降了11.7 ℃、7.1 ℃和7.5 ℃，而转子铁心和转子导条的最高温度分别上升了0.7 ℃和0.3 ℃。

3.2 温升计算结果对比验证

目前该电动机还处于设计研制阶段，尚不具备实验条件，缺少样机的温升测试数据。为了验证CFD计算结果的准确性，下面将温度场FEA与CFD的计算结果进行对比。

电动机各部件散热系数的准確确定是FEA求解温度场的关键。根据课题组前期的研究结果，采用经验公式，可得到电动机各散热面的表面散热系数[15]。在此基础上，建立电动机的三维有限元参数化模型，给定边界条件和热源密度，通过FEA计算得到电动机的温度分布，并与CFD计算结果进行对比，如表8所示。由此可见，CFD与FEA计算结果的平均误差为5.17%，其中定子铁心最高温度相差较大，为16.8%;定子上、下层绕组次之，分别为3.5%、5.8%;转子铁心偏差0.7%，转子导条偏差最小，仅-0.4%，由此间接佐证了CFD建模与计算结果的准确性。造成定子铁心最高温度偏差较大的原因是，FEA在求解过程中，将电动机内高速流动的空气用静止空气的等效导热系数来等效其热交换能力，这种等效处理方法与实际情况有一定出入。

3.3 背部导风管尺寸对最高温度的影响

为了对比背部导风管尺寸大小对电动机冷却效果影响，表9给出了管径从45 mm增加至70 mm时电动机最高温度的变化情况。由此可见，随着管径的增加，定子绕组的最高温度逐步递减，定子铁心、转子铁心和转子导条的最高温度先递减、后稍有回升，但管径为60 mm时，冷却效果最佳。

3.4 冷却气体类型对电动机温度影响

电机常用的冷却气体有空气与氢气。针对三进两出的通风冷却结构，对应不同的冷却气体，在进风量为6.5 m3/s时，该电机轴向中心面位置处温度沿径向的分布规律如图10所示。由此可见，氢气的冷却效果更好，最高温度为112.6 ℃;空气冷却效果较差，最高温度为135.5 ℃。

氢气冷却与空气冷却相比，其最高温度点发生变化，出现在定子绕组上，其原因与转子表面的风摩损耗密切相关。转子发热源于转子损耗，转子表面的风摩损耗也是造成转子发热的重要因素。针对图4的分析模型，只分析气体区域在转子旋转时的流动所造成的进出口热量增加，不考虑固体与气体之间的热交换。利用能量守恒定律，可求出风摩损耗[7]为

式中：Pt为风道摩擦损耗;Pout为风道出口总能量;Pin为风道入口总能量。

通过分析计算，在空气冷却下，该电机的风摩损耗为23.07 kW;而在氢气冷却下，其风摩损耗为1.66 kW。氢气作为冷却介质其风摩损耗显著下降，这与氢气密度低且粘度低相关，因此，转子的冷却效果更明显，转子的最高温度明显下降。

3.5 风量对电动机最高温度的影响

风量大小对通风沟内的风速有直接影响。在空气冷却下，通过计算得到不同风量下对应该电机各主要部件的最高温度分布，如图11所示。由此可见，随着风量的增加，冷却效果更好，电动机各部件的最高温度均在下降。当风量在4.5～6.5 m3/s之间时，电动机各部件最高温度随风量增加几乎线性下降;而随着风量的继续增加，最高温度下降趋势减缓。

4 结 论

1）通过建立电动机全域通风模型来求解气体在其内部的流动，从而可得到各风路进口、出口的风速和风量，可为高速感应电动机的多风路域模型求解温度场和流体场提供重要的边界条件。

2）相比于两进一出的通风结构，采用三进两出的通风结构更合理，可使该电机的最高温度下降3.8 ℃，定子铁心、定子绕组和定子绝缘的最高温度分别下降11.7、7.1和7.5 ℃。

3）采用6.5 m3/s风量的空气冷却，该电机最高温度达到135.5 ℃;如果采用氢气作为冷却介质，最高温度可降低到112.6 ℃。

该兆瓦级高速实心转子感应电动机目前尚处于设计阶段。今后在样机试制的基础上，争取获得实测数据，对本文流场和温度场的计算结果进行对比，进一步验证模型与计算结果的正确性。

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（编辑：刘琳琳）