大容量高速电驱系统配套同步电机通风冷却系统研究

马 越，薛 超，李倩倩

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

高炉风机驱动电机被用于驱动炼铁厂风机压缩机，为高炉提供压缩空气。受制于旋转变压器技术和变频器技术的发展，该类型电机尤其是大容量电机一直被国外电机巨头垄断。随着旋转变压器技术的突破及变频技术的进步，我厂已具备研制该类电机的能力，可进一步拓展该市场，替代进口产品。为此，我厂开展了大容量高炉风机驱动电机的研发，功率覆盖范围为45～55 MW。

本文以一台大容量高速电驱系统配套同步电机[1]为例，采用有限体积法对电机内的流体场进行仿真分析[2]，对额定流量下的风路进行研究，对风路结构进行校核并提出优化措施。

1 数学模型

电机冷却系统内的冷却介质以流体的形式流动，其流动特性要遵循质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律[3]。结合电机内部介质的特点，可总结出流体流动的控制方程。

(1) 质量守恒方程

质量守恒方程即流体运动的连续性方程，电机内冷却流体作定常流动，且流体为不可压缩。方程为：

(1)

式中：u、v和w分别为速度矢量在x、y和z方向上的分量。

(2) 动量守恒方程

动量守恒同样是流体流动必须遵守的基本方程，由于电机内冷却流体具有不可压缩性，其动量守恒方程为：

(2)

式中：ρ为流体的密度；p为流体微元体上的压力；u、v和w分别为速度矢量在x、y和z方向上的分量；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

对于电机内流体，可写出通用形式的能量守恒方程：

(3)

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。

2 物理模型

大容量同步电机基本数据如表1所示。

表1 电机基本数据

该电机通风方式为定子铁心采用全出风的径向通风结构，定子线圈空气间接冷却，转子槽部绕组副槽空气直接冷却，转子端部线圈蛇形风道直接冷却。

电机两端各有一个轴流风扇，冷却器出来的冷风升压后分为三个支路：支路一，冷空气由转子护环下端部空间流入转子绕组，冷却转子线圈后，进入气隙；支路二，冷空气从端部定、转子之间的气隙进入，与所有进入气隙的气体汇合后，经定子的径向通风道流出铁心，进入铁心背部空间；支路三，冷空气在定子端部空间冷却定子端部线圈及连接线后，通过机座中壁上的通风孔进入铁心背部空间，和所有进入铁心背部的热空气汇合，由定子铁心背部机座空间流入冷却器，从而形成完整的循环回路。其风路示意图如图1所示。

图1 通风系统结构示意图

2.1 三维模型

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，建立了1/2(一半)电机简化三维模型用于分析电机通风系统。图2给出了电机整机外形示意图，图3、图4分别给出了电机转子及定子示意图。

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图2 整机外形示意图

图3 转子示意图

图4 定子示意图

2.2 网格模型

电机流场复杂，需要生成高质量网格进行计算。采取六面体网格对流体域进行划分，最终生成网格数为1.4亿。图5为电机流场区域网格示意图。

图5 网格示意图

2.3 边界条件

(1) 电机转速较高，且流动情况极为复杂，空气处于紊流状态，因此采用紊流模型对模型进行求解[4]；电机内空气看作不可压缩流体。

(2) 模型空气进口边界条件设定为Mass Flow Inlet，电机运行于额定转速工况时，电机本体计算所需空气流量单侧13.7 kg/s。出口边界条件设定为Pressure Outlet，参考压力为0 Pa。

3 计算结果

3.1 收敛曲线

通过计算电机通风阻力的计算收敛曲线，可以看出计算迭代至200计算步后，计算已趋于收敛。

在额定流量下，电机风阻为2 033 Pa。

该电机风扇采用的是轴流风扇，可以提供足够的压头，与电机和冷却器相匹配，整个通风系统循环流畅。

3.2 压力云图分析

图6给出的是(1，0，0)方向视角的截面气流静压分布局部放大图。靠近转子转轴附近气流由于旋转作用静压有所增大。因为气流在电机内部流动产生静压损失，电机出风口气流静压明显低于进风口区域。

图6 (1，0，0)截面气流静压分布局部放大图

气隙内气流存在轴向流动的同时还受到副槽内气流的径向冲击，气流静压分布较为复杂。转子护环内流道截面减小导致气流静压增大，静压分布存在较大梯度，静压等值线密。

图7给出的是转子线圈径向通风道气流静压分布云图。转子各流道内气流静压等值线较密。实槽和虚槽内气流静压在周向上均匀分布。气流在转子高速旋转的作用下进入到线圈径向通风道，气流静压得到显著提高，低压区出现在槽底。

图7 转子线圈径向通风道气流静压分布云图

3.3 速度云图分析

图8给出了(1，0，0)方向视角的截面气流速度分布局部放大图。主流区域与远离主流的区域气流存在明显的涡流区，尤其是在电机结构件较多的区域，涡流区范围明显较大。

图8 (1，0，0)截面气流速度分布局部放大图

转子护环及斜槽内气流速度较其他区域大气隙内靠近电机中部气流存在范围较小的低速区。电机出风口定子铁心背部气流速度明显较小。

图9给出了(0，0，1)方向视角的截面电机内部气流速度分布云图。定子与机座之间流域气流速度在周向上分布不均，高速区与低速区交替出现。转子内气流在转速高速旋转作用下速度较大，转子各副槽内气流速度分布均匀。气隙内气流速度轴向分布均匀，贴近转子表面气流速度最大。

图9 (0，0，1)截面气流速度分布云图

图10给出的是转子内部径向风道气流速度分布。图中可以看到，转子线圈径向风道内气流速度存在明显的分层现象，气流速度随着半径的增大而增大。轴向上，各风道内气流速度分布规律相同，径向风道间未出现气流速度畸变。副槽顶部气流速度高于副槽底部空气流速。副槽通风方案很好的解决了气流在转子内部沿轴向分布极不均匀的问题。

图10 转子线圈各径向风道气流速度分布

3.4 副槽结构通风孔数量的影响

研究后发现，副槽通风孔(风沟)数量变化对流量的分配有很明显影响，将通风孔的数量变化为8、10以及12，计算并分析[5]，如图11所示。

图11 通风孔(风沟)数目对流量分配的影响

随着通风孔数量的增加，虽然平均流量变小了，但是各个出风口流量之间的差距越大，流量差别进而影响它们之间的线圈温度，这将影响电机的温度分布不够均匀[6]。

4 结论

本文对大容量高速电驱系统配套同步电机的通风冷却进行了全面的计算和分析，得到了电机内部冷却空气的速度、压力分布，得出如下结论：

(1) 电机风扇设计合理，与电机和冷却器相匹配，整个通风系统循环流畅。

(2) 副槽结构还可以通过改变副槽通风孔大小、改变副槽排列方式来设计更精细的布置形式，获得优化的流量分配。

计算和分析结果可作为电机进一步设计制造及通风冷却优化的参考依据。