大型异步电机通风冷却系统三维计算分析

2020-06-28李倩倩

上海大中型电机 2020年2期

李倩倩

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

电机市场对高转速、大容量的机组需求日益增加，而电机通风冷却系统的设计一直是需要攻克的核心难题[1]。目前，电机采用空-空冷却器的比较多，冷却器外风路的流动空气带走电机内风路中电机产生的热量，影响电机冷却的关键在于准确计算通风以及合理分配风量。

电机著名专家丁树业提出电机内绕流物性的概念，并采用有限体积元法对单风路电机内部绕流问题进行了研究，将仿真结果与实验结果进行对比分析，解决了电机内部径向散热系数问题，但电机内部整体风量分配问题依然没有解决[2]。文献[3]根据电机内部冷却气体流动情况以及空气动力学基础知识提出了等效风路网络计算方法，适用于异步电动机，对复杂风路计算问题提供了较为简便的解决方法。文献[4]将定转子的相互作用全面考虑进来，将整个电机作为一个整体，并且以电机端部的离心风扇作为入口边界条件，定子上端风道作为出口边界条件，对电机进行三维仿真，得出了计算结果与实验数据相吻合的结论。此文献只是将电机进行整体建模并对其进行简单仿真与实验结果进行对比，并未对电机结构进行优化对比。国外也有大量专家对电机风路进行了研究。如文献[5]对电机内通风产生的涡流情况进行了数值计算。文献[6]将定转子之间的气隙作为静止状态进行求解，给出了相应的导热系数。文献[7]将电机结构作为二维场进行求解。上述两个文献都是对电机通风结构基础求解，并未对电机结构进行优化。

本文采用三维软件Starccm+对大型异步电机通风系统进行三种方案的改进，以期优化大型异步电机的通风冷却系统。

1 流体流动特性分析方法

本文采用有限元法仿真计算电机内部通风冷却系统的气流速度和压力分布。软件版本号：Star-CCM+12.06。

电机通风系统有双重冷却系统，使得其内部冷却通风管道结构复杂，导致其内部冷却流体的流动特性多变难控。因此，对电机流体场的理论分析和数学物理模型建模须提出必要的假设和边界条件。

1.1 边界条件

电机入口风速计算如下：

(1)

(2)

式中：S为入口面积；P为电机损耗；CV为流体比热容；T为流体温度。

1.2 控制方程

结合电机内部介质的特点，可总结出流体流动的控制方程为：

(1) 质量守恒方程[8]

即流体运动的连续性方程，任何介质流动问题都遵循质量守恒定律。质量守恒方程为：

(3)

式中：ρ为流体的密度；t为时间；u、v和w分别为速度矢量在x、y和z方向上的分量。

由于电机内冷却流体作定常流动，且流体为不可压缩，流体的密度ρ是常数，因而电机内部流体场三维模型下的不可压缩流体稳态质量守恒方程为：

(4)

(2) 动量守恒方程[9]

动量守恒方程为：

(5)

式中：p为流体微元体上的压力；μ为动力黏度；Su、Sv、Sw为动量守恒方程的广义源项。

(3) 能量守恒方程

对于转子本体及通风道内流，可写出通用形式的能量守恒方程：

▽(ρuT)=▽(ΓgradT)+ST

(6)

式中：u为绝对速度；T为温度；Γ为扩散系数；ST为单位体积内热源产生的热量与cp的比值。

1.3 湍流模型[10]

将质量力或在重力场中压力项代表流体动压力忽略不计时，即流体可视为不可压缩流体，可采用包含湍流方程的瞬时N-S方程、雷诺方程和时均连续方程建立整体的控制方程组，通过推导得到如下的两方程湍流k-ε控制方程组数学表达：

(7)

2 计算流体域及网格剖分

为便于对电机通风冷却系统进行分析，根据电机初步设计方案，电机为对称风路,故建立1/2(一半)电机简化三维模型用于分析电机通风系统。图1为三维流体模型示意图。

图1 三维流体模型

电机内部冷却空气的良好循环是确保电机满足温升考核标准的前提。简化起见，三维建模只计算冷却空气对应的流体域，忽略电机定转子及压圈对应的固体域及其对流体域的热影响，得到如图2所示的计算流体域。

方案一改变电机机座宽度，机座宽以2 600 mm增加至2 800 mm；方案二将离心风扇改变为轴流风扇；方案三将轴与筋之间的通道截面积减小。如图3所示，为了方便表示，后文分别以“方案一”、“方案二”、“方案三”简化表述。

图2 计算流体域

图3 网格

进口边界条件：

对于本计算涉及的电动机，表1给出了额定转速工况下对应的空气流量。表2给出了计算时空气的物性参数。

表1 不同工况空气流量

表2 空气物性参数

注：电机进口温度按40 ℃、温升30 ℃计算，物性参数在定性温度55 ℃时获得(电机损耗524.65 kW)。

3 计算结果与分析

方案一，增大机座宽度。机座宽由2 600 mm增加至2 800 mm。

图4为给出增大机座宽度前后的轴向压力云图和速度云图。

图4 压力云图

图4是两种机座宽度的压力云图，从图中可以看出风阻主要集中在定转子间气隙的位置，增大机座后的主要风阻位置。图5是电机的速度云图，空气流量为8.67 kg/s；通过图片可以看出，转子区域流速较大，涡流区域主要集中在离心风扇与转子之间。表3给出计算的电机风阻结果。

图5 速度云图

表3 给出计算的电机风阻结果

从上述结果可以看出，机座宽度从2 600 mm增大到2 800 mm对电机风阻影响不大。一般情况下，为了增加电机内部风压，可直接在电机内部加轴流风扇或外加鼓风机。但对此电机，尝试将离心风扇去掉，加轴流风扇方案二，再进行三维仿真计算其效果。

方案二，去掉离心风扇加轴流风扇。

先选择两种风扇进行对比分析，一种是单翼型风扇，另一种是风扇1风扇。图6为两种风扇模型示意图。

风扇网格如图7所示。

风扇风压特性曲线计算结果如表4所示。

图6 风扇模型

图7 风扇网格模型

表4 风扇1和单翼型风压特性

为了方便对比分析显示，将表格转换为图8曲线。

图8 风扇1和单翼型风压特性曲线

由风扇的风压特性曲线可知，由于研究电机的流量为8.67 kg/s，因此择优选择单翼型风扇，其压力云图和流速图如图9、图10所示。

图9 压力云图

由压力云图可以看出，将离心风扇去掉改用轴流风扇，其轴与筋之间流体通道的风阻对于整体结构减小，从图10可以看出，流体流入轴与筋之间通道的流量增大，但气隙流体流量相对减少。仿真出的结果是电机整体风阻增加至1 100 Pa，由此可以验证气隙的流量对电机的影响比重较大。为了减小电机风阻应该增加气隙流体流量，而减少电机轴与筋之间流量。为此，同时再提出方案三，优化减少轴与筋之间的流量。