船用高温风机电机通风冷却风道数值研究

姚汝林，刘建成，冯国增，孙少哲

(1．招商局重工(江苏)有限公司，江苏 南通226100;2．江苏科技大学 能源与动力工程学院，江苏 镇江212003)

0 引 言

风机电机在将电能转换为机械能的过程中会产生各种损耗，包括铁芯损耗、绕组损耗、励磁损耗和机械损耗。这些损耗最终会转化为热能，使电机的温度升高。温升过高将直接影响电机绕组绝缘材料的寿命，降低电机出力，严重时甚至烧毁电机。实践表明，温升每高10℃，电机的使用寿命平均缩短一半［1］。因此有必要准确地计算电机温度场的分布情况，进行电机通风冷却系统设计。通风冷却方式广泛应用在各中大型电机上，具有结构简单、维护方便等优点。

对电机温度场的分析，传统的方法为等效热网络法［2］，该方法只能大致地得到铁芯和绕组的总体温升和平均温升，而无法真实的反映电机内部温度的分布情况以及过热点的位置和数值。实验方法能够获得电机温升、冷却风量等参数，但由于实验条件和设计成本的限制，很少在实际设计中采用。随着计算机运算性能的大幅提高以及计算流体力学的成熟应用，有限元方法逐渐成为电机内流场和温度场计算的主流，已经能够部分代替实验研究。然而，目前大多数文献［3－6］在电机冷却方面的研究还集中在流场、温度场的单一物理场的计算分析上，多物理场耦合的研究还很少。

本文以某型船用高温风机电机为研究对象，设计其通风冷却系统，并采用计算流体力学和数值传热学手段对该船用高温风机电机和通风冷却风道的流场与温度场开展耦合数值模拟，分析电机外壳、定子和转子的温度分布情况，以期为保证电机通风冷却系统的合理设计和安全可靠运行提供参考。

1 三维物理模型的建立与网格划分

某型高温风机的结构如图1 所示，电机额定功率55 kW。该风机用于船舶通风排烟系统，排风温度高于200℃，图1 中的箭头为高温烟气吸入方向。对于如此高温度的排风，如果不采取合理有效的电机冷却手段，电机将很快烧毁，因此根据电机冷却的设计目标，须将电机外壳温度降低到110℃以下。通风冷却方式如图2 所示，以一遮热罩作为冷却风道将电机与高温烟气隔绝，冷却空气从进风口进入，流经电机外壳表面时，通过对流换热作用将电机产生的热量带走，后从出风口排出。

根据高温风机电机的实际尺寸建立三维物理模型，定、转子简化为实心圆柱体，如图2 所示，由于电机结构的对称性，因此选择模型的一半作为计算区域。如图3 所示，将计算区域分为3 个部分进行网格划分:冷却风道、电机外壳和定转子。3 个部分都采用四面体非结构化网格，网格总数141 万。然而根据计算需要，各部分的网格密度和数量不同，冷却风道网格数98 万，电机外壳网格数37.1 万，定转子网格数5.9 万。另外在冷却空气进风口处进行了网格加密，如图4 所示。

图1 某型船用高温风机结构示意图Fig.1 Structure diagram of marine high temperature exhaust blower motor

图2 高温风机电机三维物理模型Fig.2 Three-dimensional physical model of marine high temperature exhaust blower motor

图3 计算区域网格划分Fig.3 Meshing of the computational domain

图4 进风口处网格划分Fig.4 Meshing of the air inlet

2 控制方程与边界条件

该问题需同时求解连续方程、动量方程和能量方程。为简化控制方程，在此做出以下假设:1)所需计算的是最终的通风冷却效果，因此忽略控制方程组中的非稳态项;2)空气流动的马赫数小于0.3，因此不考虑空气的可压缩性;3)考虑重力和浮力的影响，应用Boussinesq 假设来模拟浮力流动;4)忽略连续方程中的质量源项。因此得到的控制方程组为:

连续方程:

动量方程:

能量方程:

式中Sh为体积热源的源项，此处应等于电机的发热量。电机工作时的发热量Q 按下式确定:

式中:P 为电机额定功率，kW;η 为电机效率，%。计算得到该电机的发热量为6.1 kW。

另外，冷却空气的流动状态为湍流，选择带旋流修正的k－ε 模型(Realizable k - ε)计算湍流粘性系数，近壁面区域采用标准壁面函数处理。由于高温烟气的排风温度高于200℃，因此不能忽略辐射换热的影响，采用P－1 辐射模型计算热辐射。带旋流修正的k－ε 模型和P －1 辐射模型的方程可参见Fluent 帮助手册。

边界条件设置如表1 所示，其中进风口的入口速度分别设定为10 m/s、20 m/s、30 m/s 和40 m/s，入口温度同时也分别考虑4 种情况，即25℃、30℃、35℃和40℃，共16 组计算工况。

表1 边界条件Tab.1 Boundary conditions

3 计算结果与分析

图5 为入口温度25℃，入口风速20 m/s 情况下冷却风道的流线图，从图中可以看到冷却空气从冷却风道中间的进风口流入，与电机外壳表面充分接触后，从图中左上角位置的出风口流出。还可以观察到，气流在靠近进风口处出现了旋涡，这是由于电机的阻挡造成的。虽然旋涡会造成风机阻力损失的增大，然而实际上该类旋涡对于增强电机散热来说有利。

图5 冷却风道流线图(t=25℃，v=20m/s)Fig.5 Streamlines of the cooling air duct (t=25℃，v=20m/s)

图6 为入口温度25℃、入口风速20 m/s 情况下电机外壳肋片处的温度分布情况，从图中可以看到翅片上的等温线向右侧倾斜，即右侧比左侧的分布要密，而且右侧的温度要比左侧的温度低。

图6 电机外壳肋片处的温度分布(t=25℃，v=20m/s)Fig.6 The temperature distribution of the fins(t=25℃，v=20m/s)

图7 为入口温度25℃，入口风速分别为10 m/s、20 m/s、30 m/s 和40 m/s 情况下的电机外壳的温度分布。从图中可以看出，当入口风速为10 m/s 时，电机表面的局部温度达到391 K (118 ℃)，超过了所要求的110 ℃。在其他3 个工况下，电机表面的温度都在110 ℃以下。从图中还可以看出，所有工况下电机表面上温度最高的位置都位于电机外壳上远离进风口的地方。

图7 四种不同进风工况下电机外壳的温度分布Fig.7 The temperature distribution of the motor shell in four conditions of ventilation

所计算的16 组不同进风工况的结果统计如表2 所示，表中t25v10 为入口温度25℃风速10 m/s。从表中可看到，入口风速为10 m/s 的情况下，无论对于何种入口温度，电机外壳的局部最高温度都超过了所要求的110℃。另外，当入口风速大于30 m/s 的情况下，只要从外界环境引入的冷却空气温度小于40℃，都可满足电机冷却设计的要求。

表2 不同进风工况下电机表面温度Tab.2 The surface temperature of the motor shell in different conditions of ventilation

4 结 语

通过对某型船用高温电机通风冷却系统的设计和数值模拟分析，可以得到以下结论:

1)采用计算流体力学和数值传热学手段对该船用高温风机电机和通风冷却风道的流场与温度场开展耦合数值模拟能够实现。计算得到的冷却空气温升、电机外壳平均表面温度和局部最高温度可以作为电机通风冷却系统设计的参考依据，达到缩短研发周期、降低产品开发成本、提高研发效率的目的。

2)该船用高温电机通风冷却系统的设计难点在于确定冷却空气的进风温度和风量，这在设计前是未知的。本文通过考虑外界环境可能的温度变化范围，假定进风口温度与风速，反复试算得到了尽可能最佳的结果。

3)理论上冷却空气的流速越大，电机散热的效果就越好，然而所需的冷却风量就越大，相应冷却风扇的体积就越大，采用体积过大的冷却风扇不合理，因此在能够达到电机冷却要求的前提下，尽可能采用较小的冷却风量才合理。

［1］闫玉军，吴亚旗．船用电机温升过高的原因分析及处理方法［J］．船舶标准化工程师，2011，44(5):21 －23．

［2］温志伟．基于数值分析的大型同步电机内温度场的研究［D］．北京:中国科学院研究生院(电工研究所)，2006．

［3］MAYNES B D J，KEE R J，TINDALL C E，et al．Simulation of airflow and heat transfer in small alternators using CFD［J］． IEE Proceedings Electric Power Applications，2003，150(2):146 －152．

［4］DI G A，PERINI R． Analytical evaluation of the stator winding temperature field of water-cooled induction motors for pumping drives:ICEM，Espoo Finland，2000［C］//Helsinki University of Technology．

［5］江荧．自扇冷式电机冷却系统的数值模拟分析及风扇设计［J］．机械设计与研究，2014(1):115 －119．

［6］冯国增，冯拥军，许向前．救生艇用柴油机气缸套温度场的计算与分析［J］． 舰船科学技术，2009，31(4):65－67．FENG Gup-zeng，FENG Yong-jun，XU Xiang-qian． The temperature field numerical simulation and analysis research on cylinder liner of the diesel engine for the lifeboat［J］．Ship Scieace and Technology，2009，31(4):65－67．