周黎民， 黃鵬程， 鄭國麗

(南車株洲電機有限公司，湖南株洲 412001)

0 引言

隨著電機技術水平的不斷提高，在電機設計過程中，電機領域的研發(fā)人員不斷開發(fā)和運用新技術完善電機結構，使電機向小型化和高效率化發(fā)展。近年來，越來越多的設計者采用數(shù)值仿真的方法進行電機的電磁計算，以及磁場、溫度場和零部件的機械強度計算。由于磁場和機械強度數(shù)值計算方法開發(fā)和運用時間較早，相對溫度場計算而言，已經(jīng)比較成熟，運用的人相對較多，因此設計人員開始更加關注電機的溫度場數(shù)值計算問題。電機的通風冷卻問題是電機設計的關鍵［1-5］，是進行電機結構設計的依據(jù)之一。良好的通風冷卻系統(tǒng)可以使電機內(nèi)氣體流量合理分配，降低通風損耗和氣體動力噪聲，使電機溫度分布均勻，減少因溫度差異引起的熱應力，并且使電機溫升在允許范圍內(nèi)，保證電機運行的安全性和可靠性，從而延長電機的使用壽命。

本文研究的電機為礦用防爆電機，由于電機的使用環(huán)境特殊，對電機結構有嚴格要求，電機內(nèi)部封閉，靠機殼水冷散熱，散熱條件差，因此電機的冷卻問題變的尤為重要。本文基于計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics，CFD)原理，對電機的流場和溫度場進行數(shù)值仿真計算，通過分析電機內(nèi)部流場，根據(jù)電機內(nèi)氣體的流動特性設計電機內(nèi)風路，進行結構改進，并以溫升計算結果驗證結構是否合理。此外由于轉(zhuǎn)速影響電機內(nèi)流量分布，損耗影響電機內(nèi)溫度分布，因此對本文分析的變頻調(diào)速電機還進行了變頻調(diào)速后電機溫升的可靠性驗證。電機的結構設計需依據(jù)電機采用的通風系統(tǒng)而定，在電機設計階段，如果對原型機進行試驗，驗證結構的合理性，不僅提高了設計成本，而且延長了研發(fā)周期，因此采用數(shù)值試驗，可根據(jù)數(shù)值計算結果進行定性分析，采用比較合理的結構從而提高設計水平、節(jié)約研究經(jīng)費。通過仿真方法指導電機設計，所得結論可為電機的冷卻系統(tǒng)和結構設計提供必要的理論依據(jù)。

1 三維模型選取及簡化

本文研究的防爆電機內(nèi)部封閉，在額定運行情況下，電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，帶動電機內(nèi)部空氣沿著閉合線路進行循環(huán)，循環(huán)過程中，空氣將熱量通過機座傳遞給冷卻水，定子外殼設計螺旋水道，冷卻水從進水口進入，經(jīng)螺旋水道冷卻整個電機后從出水口流出。由于電機采用螺旋水道，電機整體不滿足幾何和物理上的對稱性和周期性，因此需要建立電機整體的全三維模型。根據(jù)初步設計方案，電機內(nèi)部未置風扇，定、轉(zhuǎn)子鐵心未開設通風孔?？紤]定子端部繞組幾何形狀不規(guī)則，對定子端部繞組進行合理簡化。三維模型局部剖視圖如圖1所示。

圖1 計算域三維模型局部剖視圖

2 求解條件

考慮電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，需構建電機轉(zhuǎn)動件的獨立旋轉(zhuǎn)計算域，因此在多重參考坐標系下，建立流動與傳熱穩(wěn)態(tài)控制方程，包括質(zhì)量守恒方程及動量守恒方程、能量守恒方程［6］。湍流模型選擇標準k-ε兩方程模型。

合理的邊界條件是保證計算結果準確的重要條件之一。本文根據(jù)用戶的使用條件以及求解問題的需要給定以下邊界條件:

(1)給定各材料的物性參數(shù)，包括密度、比熱容和導熱系數(shù)。銅、絕緣、水套、轉(zhuǎn)軸、端蓋材料的導熱系數(shù) λ 分別為 387.6、0.26、25、44.2、52，單位W/(m·k)。硅鋼片考慮了各項異性，徑向和切向?qū)嵯禂?shù)為44.2 W/(m·k)，軸向?qū)嵯禂?shù)為1.192 W/(m·k)。

(2)螺旋水道進水口水溫為40℃，流量為2.7 m3/h，湍流強度5%，當量直徑20 mm。水道出口設為壓力出口，壓力為標準大氣壓。電機內(nèi)部空氣分成動靜兩個區(qū)域，轉(zhuǎn)動區(qū)域轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，空氣溫度為35℃。

(3)水套外殼、端蓋兩側設對流邊界，電機內(nèi)部流體與壁面交界處均為內(nèi)部耦合對流邊界。水套外表面的換熱系數(shù)根據(jù)自然對流換熱的試驗關聯(lián)式(1)～式(3)進行計算［7］。

式中:Gr——格拉曉夫數(shù);

g——重力加速度;

α——體脹系數(shù);

Δt——溫差;

l——特征長度;

Nu——努塞爾數(shù);

Pr——普朗特數(shù);

h——對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù);

λ——導熱系數(shù)。

(4)假設電機各發(fā)熱部件熱源均布，根據(jù)損耗計算熱源強度。

3 計算結果與分析

3.1 電機換熱分析

防爆電機出于防爆目的，電機內(nèi)部封閉，對于封閉式電機，發(fā)熱部件主要有定子鐵心、定子繞組及轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的熱量主要來自銅耗，通過兩種途徑散熱:一種是熱量從轉(zhuǎn)子兩端由機內(nèi)循環(huán)空氣直接帶至機座，機內(nèi)空氣從端部導條流經(jīng)定子端部繞組，至機座后重新循環(huán);另一種是熱量從轉(zhuǎn)子表面通過氣隙傳到定子鐵心，再傳給機座。定子銅耗和鐵耗轉(zhuǎn)換成的熱量，小部分通過端部循環(huán)空氣傳給機座，大部分通過定子鐵心傳給機座，鐵心和繞組之間也通過絕緣傳遞熱量。電機內(nèi)部通風示意圖見圖2，通過對電機的換熱分析可知，封閉式電機的熱量主要通過機座散出，因此需要增強機座的散熱能力。本文研究的礦用電機采用機殼水冷的方式進行冷卻，由于電機結構緊湊，限制了水道的長短，導致端部循環(huán)空氣與冷卻水的換熱量小，電機內(nèi)部空氣溫升高而降低了電機的散熱能力。通過對電機的三維溫度場進行數(shù)值計算也得出絕緣結構的溫度較高，雖然電機使用H級絕緣材料，絕緣溫度未超溫，但是考慮計算偏差、材料與工藝的因素，安全余量不夠，因此還需進行結構改進。綜上所述，理論分析與數(shù)值計算結果都表明需要改善電機內(nèi)部的通風系統(tǒng)，加強換熱。

圖2 電機內(nèi)部通風示意圖

3.2 內(nèi)風路設計與結構改進

改善電機內(nèi)部通風系統(tǒng)的主要目的是增強換熱，一方面要增加循環(huán)風量，將定轉(zhuǎn)子的熱量通過空氣帶走，另一方面要增加空氣與冷卻水的換熱量，降低空氣溫度。從這兩個角度考慮設計電機內(nèi)風路，在軸伸端安裝離心風扇，離心風扇的外徑越大，產(chǎn)生的壓力越大，因此在空間允許的情況下，風扇外徑應選擇適中，保證風量的同時減少風摩損耗;定、轉(zhuǎn)子鐵心開設通風孔，在風扇作用下，空氣在電機內(nèi)部形成循環(huán)，通風系統(tǒng)見圖3。轉(zhuǎn)子熱量傳遞給轉(zhuǎn)子風道內(nèi)的空氣，空氣溫度升高后在風扇離心力作用下流進氣隙和定子風道，由于定子風道靠近螺旋水道，熱阻小，增加了空氣與水的換熱量，使空氣溫度降低后繼續(xù)循環(huán)。采用此通風系統(tǒng)使軸伸端溫度高于非軸伸端，為了驗證內(nèi)風路設計是否合理，對電機的熱流場進行數(shù)值計算，得出轉(zhuǎn)子鐵心、定子繞組、定子絕緣的最高溫度與原結構相比溫度分別降低了43.6℃、9.2℃、6.2℃，從數(shù)據(jù)對比可看出，采用此風路對降低轉(zhuǎn)子溫度效果比較明顯，而降低轉(zhuǎn)子溫度可避免轉(zhuǎn)子溫度高而導致的軸承溫度過高，有利于電機的安全運行。

圖3 電機內(nèi)風路設計示意圖

圖4為電機內(nèi)部風扇端速度矢量圖，從圖中氣流方向可看出，由于風扇入口與轉(zhuǎn)子鐵心間距離較大，從風扇流出的空氣沒有全部進入定子風道，一部分空氣重新回到了風扇入口進入風扇，形成了短路。為了避免這種情況，對結構進行改進，在風扇和轉(zhuǎn)子鐵心之間加擋風筒，防止空氣倒流。加擋風筒后轉(zhuǎn)子三維模型見圖5。

圖4 電機內(nèi)部風扇端速度矢量圖

圖5 加擋風筒后轉(zhuǎn)子三維模型

加擋風筒后定子風道總流量與原來的相比增加一倍，循環(huán)風量明顯增加，定子風道內(nèi)的氣體平均流速約增加了8 m/s。擋風筒對電機各部件溫度分布的影響見表1，表1中數(shù)據(jù)是加擋風筒后電機各部件的峰值溫度相對于未加擋風筒的值，正號表示溫度升高，負號表示溫度降低。

表1 結構改進前后電機各部件峰值溫度相對值 ℃

由表1可知，增加擋風筒后，除定子軛部鐵心溫度略有升高，電機其他各部件的溫度均有明顯降低，滿足電機設計要求，并留有很大安全余量，因此將加擋風筒后的電機結構作為最終理想結構。

3.3 變頻調(diào)速后電機溫升可靠性分析

由于本文研究的電機為變頻調(diào)速機，為確保電機額定運行過程中電機不超溫，在恒轉(zhuǎn)矩階段(5～50 Hz)選取一些典型點對電機的溫升進行計算，驗證變頻調(diào)速后電機溫升是否滿足要求。通過數(shù)值計算得出頻率、轉(zhuǎn)速、損耗分布不同的情況下，絕緣溫度均未超過允許溫度并有一定的安全余量，滿足技術要求，結構可取。

4 結語

本文通過對防爆電機的換熱分析，設計電機內(nèi)部風路，通過結構改進，獲得理想結構，驗證了變頻調(diào)速后電機溫升滿足要求，并得出以下結論:

(1)封閉式電機散熱條件差，主要通過機座散熱，尤其是轉(zhuǎn)子的散熱較差，從而導致軸承的溫度過高，為降低電機溫度，需要增加機座與內(nèi)部空氣的換熱量，降低內(nèi)部循環(huán)空氣的溫度，使電機部件的發(fā)熱量通過空氣循環(huán)有效散出;

(2)定轉(zhuǎn)子鐵心開設通風孔，電機內(nèi)置離心風扇，形成內(nèi)循環(huán)風路，對降低轉(zhuǎn)子溫升有明顯效果;

(3)在風扇和轉(zhuǎn)子鐵心間安裝擋風筒，可有效防止風扇短路，增加定、轉(zhuǎn)子風道的循環(huán)風量，從而降低電機各部件的峰值溫度;

(4)通過對電機不同工況下的三維溫度場進行計算，結果表明絕緣結構溫度滿足絕緣等級的溫升極限，并且有一定余量，驗證電機結構可取。

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