箱式YJKK紧凑型中型高压电动机全域流体预测

孟大伟， 何金泽， 夏云彦

(哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150080)

0 引言

随着电机领域相关技术的提高，高功率密度高效电机已经成为今后的发展趋势，随之带来的是冷却问题成为此类电机技术发展的瓶颈。合理运用强迫通风方式以及恰当的冷却介质带走电机内部的损耗能有效降低局部过高的温升。近年来，国内外专家学者对于高功率密度高效电机内流体场及流体温度耦合场做了一定的研究［1－2］，但对于电机内部全域流体分布情况进行分析的文献较少。

YJKK系列电机是在原YKK中型高压电机基础上研发的新产品，与原有YKK系列电机在相同容量的情况下相比，YJKK系列电机的中心高平均降低两个等级，功率密度提高。根据电机几何相似定律［3］，功率密度的增加势必会使内部散热问题突显出来，因此必须要改进冷却系统以保证电机安全可靠运行。

以往计算高压电机内冷却气体参数分布时，通常只建立部分区域分析模型，然后对整体模型的流体流动特性进行一定的估测，此时边界条件的施加需要经验公式和试验的配合［4］。因此，已有的研究成果对于新结构电机不完全适用。为能描述出电机内流体流速和压强分布，进而为求解电机内温度场奠定基础，以1台YJKK500－4，2 500 kW紧凑型中型高压异步电动机为例，建立全域流体模型，分析电机内各区域的流体分布及流动特性。

1 全域流体预测研究模型的建立

1.1 全域流体分析的物理模型

YJKK系列紧凑型中型高压电动机通风系统结构如图1所示，电机采用新型混流通风系统，整个系统包含内外两部分。从电机内部通风结构可以看出流体流动总体趋势，部分空气由入风口进入电机内部冷却绕组端部，大部分进入转轴焊筋板之间的空隙。焊筋板在电机结构中起支撑作用，同时在电机正常运行时相当于风扇叶片，将板与板之间的空气从径向通风沟处打出。离心风扇旋转时产生的压强差使得定子铁心背部流体经挡风板进入出风口排到冷却器中。

与通风系统相关的电机的主要尺寸及参数值为:电机模型铁心长度为900 mm;定子外径为900 mm，内径为560 mm;转子外径为553.6 mm，内径为310 mm;转轴外径为210 mm;定转子径向通风沟数量为14排，宽度为8 mm，每排定转子通风沟内分别均布规格为4 mm×8 mm×160 mm的通风槽钢为60个;电机内风路入风口面积为(920×400)mm2;出风口面积为(920×299)mm2。

图1 YJKK混流通风结构Fig.1 The structure of YJKK mixed ventilation

由于电机内风路流体流动区域不对称，计算时需要整体建模［5］。考虑到风扇和转子在电机运行时的转动，将整机模型分割为风扇、转子以及包含定子在内的整机静止流道3个区域，所有流体域相互连接。由于电机定子绕组端部对流体影响较小，为简化整体建模不做考虑。图2为通风系统三维模型剖面图及风扇模型。由于风扇部分在流体计算中较为重要，图3给出了风扇实体三维模型。由模型可知，该离心风扇均布9个叶片，属后倾式风扇。叶片入口倾角 β1=18°，出口倾角 β2=51°。

图2 通风系统三维模型剖面图Fig.2 Crosss-section view of 3D model of the ventilation system

图3 风扇模型Fig.3 Fan model

1.2 全域流体分析的数学模型

流体三维湍流流动满足以下控制方程。

质量守恒方程［6］为

式中:ρ为密度;t为时间;u、v和 w分别为 x、y和 z方向的速度分量。

动量守恒方程为式中:p为流体微元体上的压力;τxx、τxy和 τxz等表示由分子粘性作用产生的作用在微元体表面的粘性应力τ沿x、y和 z方向的分量;Fx、Fy和Fz为微元体上的体力。

标准 k－ ε 湍流方程［7－8］为

式中:k为湍动能;ε为湍动耗散率;ui为i方向速度;μ为动力粘度;Gk为由平均速度梯度引起的湍动能k的产生项;Gb为因浮力引起的湍动能k的生成项;YM为可压湍流中因脉动扩张的贡献;Sk和Sε为自定义源项;μt为湍流速度，即

模型常量为:C1ε=1.44;C2ε=1.92;C3ε=0.09;Cμ=0.09;σk=1.0;σε=1.3。

电机内流体流动计算的基本假设为:

1)电机内流体Reynolds数大，属湍流流动，因此采用湍流模型求解［9］;

2)在标准大气压下，电机中空气流体浮力和重力的影响可忽略;

3)电机内流体速度小于声速，即马赫数很小，故不可作压缩流体处理［10］;

4)定子槽全部被线圈和绕组填满，没有空隙;

5)假设定子槽楔靠近气隙侧端面与定子铁心内表面共面，即气隙作为光滑圆环体处理［11］。

电机各区域流体流动计算的边界条件为:

1)模型采用标准大气压入口和出口边界条件计算，即出入口压强都为零，电机内流量可通过对内风路的求解计算出来;

2)与空气相接触的各表面全部为无滑移边界条件;

3)转子部件采用旋转壁面边界条件，多重参考坐标系模型模拟，气隙、定子及定子铁心背部空气作为静止部分模拟;

4)电机额定转速为1 490 r/min。

2 通风系统有限元计算与结果分析

根据有限体积法，把连续空间分解成一定数量的离散点，利用非结构网格形式对模型进行网格剖分。如图4所示，全域网格共剖分成221.31万个单元，1 089.87万个结点。由于风扇和转子铁心部分需要详细分析，剖分时网格需适当加密。

图4 整体的网格剖分Fig.4 The adaptive grid of the model

通过数值计算，得到电机内部通风系统的全域流体分布。图5为风扇速度矢量图，图6为风扇提供的压力和流量之间的变化曲线，即风扇性能曲线。风扇在额定工作情况下，通过仿真所得流量为1.95 kg/s，实验测得流量为1.87 kg/s，计算误差为4.56%。由于建模时未考虑电机实际运行中的复杂环境因素造成的风阻稍大问题及端部绕组忽略对流体阻力的影响，因此计算流量略大于实际测得的流量，证明本文采用全域流体场所建立的模型合理。

图5 风扇速度矢量图Fig.5 Picture of fan vector speed

图6 风扇性能曲线Fig.6 Fan characteristic curve

图7和图8分别为沿z轴方向上风扇叶片中部截面速度矢量图和流体迹线图。从图中可以看出，风扇左右两侧流体形态分布不对称，这是因为电机的内风扇为离心风扇，运行时逆时针旋转且出风口在风扇上端，所以风扇左上部分的流体流速要大于其他部分，流体流速以风扇叶处最大。同时流体迹线图中流体流动较为规则，说明机座及风扇设计较为合理。

图7 风扇附近流体速度矢量图Fig.7 The velocity vector nearby the fan fluid section

图8 风扇附近流体迹线图Fig.8 The fluid trace map nearby the fan section

将电机定转子铁心的14个径向通风沟编号，入口侧通风沟为1号，风扇侧通风沟为14号。各通风沟的流量分配关系如图9所示。

图9 各个通风沟流量分配Fig.9 Flow distribution of each ventilation channel

在对样机的实验中，在电机内风路出风口、入风口以及电机定子铁心中部分别埋置3根PT100铂热电阻，当电机运行后测得稳定温度值分别为:入风口为42℃，中间为70℃，出风口为82℃，由此可知，随着通风沟号的增加，流体温度升高，但通风沟内的流量也相应增加，可以带走更多的热量，这符合通风冷却系统的设计初衷。

图10为通风槽钢示意图，图中Rt为通风槽钢距离铁心几何圆心的半径。图11为8号通风沟截面速度矢量图。通过观察发现，该通风沟内流体速度沿定子径向分布不均匀，沿槽中心线分布亦不对称;在通风沟内的定子绕组附近均出现涡流现象，并有部分空气回流入气隙。通过分析可知，涡流的产生是由通风槽的安装位置决定的。电机原设计方案中Rt=288.5 mm，本文经优化计算分析重新定义，其位置Rt=283.5 mm，对新模型重新计算得出如图12所示的结果。通过对比图11和图12可知，沟内部涡流大大减少，从而降低了能量的损失。

图10 定子通风槽钢示意图Fig.10 Schematic of stator ventalition channel

图11 8号通风沟截面速度矢量图Fig.11 Velocity vector of number 8 ventilation duct section

图12 改进后8号通风沟截面速度矢量图Fig.12 Velocity vector of the improved number 8 ventilation duct

图13和14分别为电机内部中性面和风扇转子整体的流体速度分布图以及流体迹线图。通过观察两图可发现电机左侧部分风速较小，流体迹线较疏。由于风扇侧流体在挡风板与风扇集风环处流动面积突然减小，因此速度较大，风速最大值为62.4 m/s。另外在图14中能清晰地观察到靠近风扇侧端部能产生较大的涡流，主要原因是挡风板设计时采用直角，因此可以对挡风板进行适当改进，设计时可以考虑带有倒角，以避免涡流的产生。

图13 电机内部中性面和风扇转子的流体速度分布图Fig.13 The fluid velocity contour of internal neutral surface and fan and rotor

外冷却器为内外风路热量交换的部分，图15为外冷却器流体迹线图。从图15中可以看出，冷却器内部风路有3点明显的涡流，不但使风路产生损耗，还会产生噪音。因此，在设计时考虑将中间的挡板由直板改为一定弧度的钢板，可以有效解决这类问题。

图14 流体迹线图Fig.14 The fluid trace map of internal motor

图15 外冷却器流体迹线图Fig.15 The fluid trace map of external cooler fluid

3 结论

应用流体力学计算理论，通过对1台YJKK紧凑型箱式电动机额定运行时的稳态全域流体场进行计算并分析电机风扇的运行性能，以及通风槽钢、风扇侧挡风板和冷却器内挡板对流体性能的影响，得出如下结论:

1)电机内三维流体场全域分析的结果与实测值相吻合，表明本文所建立的计算模型可行，其基本假设与边界条件合理;

2)得出内风扇压力随流量变化的性能曲线，为风扇的选取设计以及后续温度场计算提供理论依据;

3)通过分析可知，通风沟内定子绕组附近流体涡流现象较明显，本文优化了定子通风槽钢Rt值，其结果能有效减弱通风沟内涡流现象;

4)针对流体在冷却器内挡风板处产生较强涡流的问题，提出了对挡风板的改进意见。

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