李光耀， 王鴻鵠， 顧德軍

(上海電機(jī)系統(tǒng)節(jié)能工程技術(shù)研究中心，上海 200063)

0 引 言

通風(fēng)冷卻系統(tǒng)對(duì)高壓電動(dòng)機(jī)的散熱有著決定性的作用。高壓電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)種類很多，風(fēng)路中的結(jié)構(gòu)件數(shù)目大，計(jì)算較復(fù)雜。目前，高壓電動(dòng)機(jī)的風(fēng)路參數(shù)計(jì)算一般通過局部有限元。本文以一臺(tái)Y 500-4-1 120 kW-10 kV高壓電動(dòng)機(jī)為例，通過流體場(chǎng)有限元方法，對(duì)此類軸對(duì)稱通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體建模，對(duì)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部風(fēng)路進(jìn)行了完整的計(jì)算，得到了電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，定、轉(zhuǎn)子風(fēng)路各部分的通風(fēng)情況。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)及數(shù)學(xué)模型

Y 500-4-1 120 kW-10 kV高壓電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)為軸向?qū)ΨQ式，通風(fēng)示意圖如圖1所示。

圖1 通風(fēng)示意圖

電動(dòng)機(jī)通過轉(zhuǎn)子內(nèi)風(fēng)扇、轉(zhuǎn)子軸上的筋、轉(zhuǎn)子軸向鐵心段間的轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽片和轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽管作為冷卻空氣動(dòng)力源來進(jìn)行電動(dòng)機(jī)內(nèi)部風(fēng)路循環(huán)。風(fēng)從通氣窗進(jìn)入轉(zhuǎn)子風(fēng)扇，一部分通過轉(zhuǎn)子風(fēng)葉進(jìn)入定子繞組，冷卻端部繞組經(jīng)機(jī)座支撐筋和定子壓圈間的空隙流到出風(fēng)口；另一部分通過轉(zhuǎn)子軸、轉(zhuǎn)子鐵心間和筋之間的軸向通風(fēng)槽進(jìn)入轉(zhuǎn)子鐵心，并通過轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽片、轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽管和筋旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力將軸向通風(fēng)槽中的冷卻空氣打入到定子徑向通風(fēng)溝中，將冷卻風(fēng)打入定子徑向通風(fēng)孔中，完成對(duì)電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心和其中繞組的冷卻，最后通過機(jī)座上的出風(fēng)口將冷卻氣體排出電動(dòng)機(jī)外。

根據(jù)Y 500-4-1 120 kW-10 kV高壓電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，建立了計(jì)算流體場(chǎng)的電動(dòng)機(jī)模型，軸向剖面圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)模型軸向剖面圖

為了準(zhǔn)確計(jì)算定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道中的流體運(yùn)動(dòng)，對(duì)定轉(zhuǎn)子鐵心徑向通風(fēng)道中的風(fēng)路原件進(jìn)行了精細(xì)建模。定轉(zhuǎn)子鐵心徑向剖面圖、轉(zhuǎn)子風(fēng)扇分別如圖3、圖4所示。

圖3 定轉(zhuǎn)子鐵心徑向剖面圖

圖4 轉(zhuǎn)子風(fēng)扇

轉(zhuǎn)子風(fēng)扇由內(nèi)外風(fēng)扇板和風(fēng)葉組成，Y 500-4-1 120 kW-10 kV高壓電動(dòng)機(jī)的風(fēng)葉為垂直放置的平面風(fēng)扇。風(fēng)葉的安裝位置如圖5所示，單片扇葉形狀如圖6所示。

圖5 風(fēng)葉的安裝位置 圖6 單片扇葉形狀

電動(dòng)機(jī)定子鐵心為架空結(jié)構(gòu)，所以在計(jì)算中不考慮機(jī)座對(duì)電動(dòng)機(jī)通風(fēng)的影響。電動(dòng)機(jī)通風(fēng)在軸向上基本對(duì)稱，為簡(jiǎn)化計(jì)算，取電動(dòng)機(jī)整體的1/2進(jìn)行計(jì)算；在計(jì)算中不考慮機(jī)座對(duì)電動(dòng)機(jī)鐵心內(nèi)部和繞組端部的通風(fēng)影響，簡(jiǎn)化后的電動(dòng)機(jī)模型如圖7所示。電動(dòng)機(jī)模型中的非固體區(qū)域(即間隙)為流體場(chǎng)的求解對(duì)象，與電動(dòng)機(jī)模型相對(duì)應(yīng)的流體求解區(qū)域如圖8所示。

圖7 簡(jiǎn)化后模型 圖8 流體模型區(qū)域

與電動(dòng)機(jī)模型相應(yīng)流體區(qū)域模型中不包含任何固體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。流體區(qū)域軸向剖面圖如圖9所示。

圖9 流體區(qū)域軸向剖面圖

為保證計(jì)算精度，對(duì)流體區(qū)域的氣隙、進(jìn)口和出口進(jìn)行了剖分網(wǎng)格加密。計(jì)算網(wǎng)格剖分如圖10所示。

圖10 計(jì)算網(wǎng)格剖分 圖11 邊界條件

在流體場(chǎng)計(jì)算中，氣體入口為電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子端部，模型中流體矢量指向流體內(nèi)部，出口為定子徑向通風(fēng)孔外圓，流體矢量指向流體外部。邊界條件如圖11所示。

假設(shè)外界為1個(gè)大氣壓且冷卻空氣不能壓縮，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為156 rad/s，進(jìn)口空氣湍流強(qiáng)度為5 %時(shí)，求解連續(xù)性方程和動(dòng)量方程。

連續(xù)性方程為

動(dòng)量方程為

2 計(jì)算結(jié)果

通過對(duì)建立的模型進(jìn)行計(jì)算，得到電動(dòng)機(jī)流體區(qū)域總體流線斜視圖，如圖12所示。從圖中可以看出，在定轉(zhuǎn)子端部冷卻空氣繞電動(dòng)機(jī)軸向流動(dòng)，且流速較高，特別是在轉(zhuǎn)子風(fēng)扇區(qū)，流速可達(dá)40～60 m/s。定子端部繞組附近的空氣流速也比較高，數(shù)值約在30 m/s。

圖12 流體區(qū)域總體流線斜視圖

為得到軸附近軸向通風(fēng)溝中的流體和鐵心徑向通風(fēng)溝中的流體情況，作總體流線的側(cè)視圖如圖13所示，矢量圖如圖14所示。

圖13 總體流線側(cè)視圖

圖14 矢量圖

從圖中可以看出在軸向通風(fēng)溝中，靠緊端部的部分流速較大，而在靠緊鐵心軸向中點(diǎn)處的鐵心徑向通風(fēng)溝中的流速較小。而在徑向通風(fēng)溝中，靠緊端部的部分流速較小，靠緊鐵心軸向中點(diǎn)處的軸向通風(fēng)溝中的流速較小。

電動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)速矢量圖14中可以得到各點(diǎn)的通風(fēng)流向。由于氣隙部分轉(zhuǎn)速相差較大，空氣流動(dòng)較為復(fù)雜，為觀察氣隙各個(gè)部分的空氣流動(dòng)特點(diǎn)，分別以端部側(cè)、軸向1/4處和軸向中部作為分析對(duì)象，氣隙流速矢量放大圖形如圖15所示。

(a) 端部側(cè) (b) 軸向1/4處 (c) 軸向中部圖15 氣隙流速矢量圖

在端部側(cè)，氣隙與進(jìn)風(fēng)口很近，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)引發(fā)旋轉(zhuǎn)的空氣流動(dòng)外，進(jìn)氣口的進(jìn)入的空氣增加了氣隙的軸向空氣流動(dòng)，所以在此部分包含了較大的軸向空氣流動(dòng)分量，如圖15(a)所示。軸向1/4處的空間位置距離進(jìn)風(fēng)口較遠(yuǎn)，氣隙中所產(chǎn)生的空氣流速矢量中的軸向分量相對(duì)減少，如圖15(b)所示。軸向中部在軸向?qū)ΨQ軸附近，從電動(dòng)機(jī)兩端進(jìn)氣口進(jìn)入的軸向流速矢量在此基本抵消，流速矢量主要演軸向旋轉(zhuǎn)，如圖15(c)所示。

為觀察電動(dòng)機(jī)內(nèi)部各部分的通風(fēng)情況，沿電動(dòng)機(jī)軸向作截面，得到軸向截面上的風(fēng)壓和風(fēng)速分布云圖，分別如圖16和圖17所示。

圖16 風(fēng)壓云圖 圖17 風(fēng)速云圖

從圖中可以看出風(fēng)壓和風(fēng)速最大值出現(xiàn)出現(xiàn)在在轉(zhuǎn)子風(fēng)扇外圓附近。

在高壓電動(dòng)機(jī)風(fēng)路設(shè)計(jì)中，轉(zhuǎn)子風(fēng)扇一定的情況下，軸向通風(fēng)溝和徑向通風(fēng)溝為電機(jī)主要的風(fēng)路結(jié)構(gòu)，其中的氣體參數(shù)對(duì)整個(gè)電動(dòng)機(jī)的散熱起到至關(guān)重要的作用。現(xiàn)對(duì)一條通風(fēng)溝橫截面行心、沿指向電動(dòng)機(jī)端部的軸向路徑“Z”的路徑進(jìn)行采點(diǎn)，得到電動(dòng)機(jī)軸向路徑；從通風(fēng)溝橫截面行心沿半徑方向指向定子外徑處的路徑“Y”進(jìn)行采點(diǎn)，得到電動(dòng)機(jī)徑向路徑。軸向路徑和徑向路徑如圖18所示。

圖18 軸向路徑和徑向路徑

風(fēng)壓和風(fēng)速的軸向分布曲線如圖19所示。

(a)風(fēng)壓軸向分布 (b) 風(fēng)速軸向分布圖19 風(fēng)壓和風(fēng)速的軸向分布

從風(fēng)壓軸向分布曲線可以得到風(fēng)壓最大值出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子風(fēng)扇附近，可達(dá)101 350 Pa，最小值出現(xiàn)在軸伸側(cè)約1/4處，最小值在100 450 Pa，在電機(jī)進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)壓約為101 350 Pa，電機(jī)軸向中點(diǎn)處，即Z=0的位置，風(fēng)壓約為101 175 Pa，整個(gè)軸向通風(fēng)溝中最大壓力差可達(dá)900 Pa。在風(fēng)速軸向分布曲線中可以看出，路徑上風(fēng)速最大處在風(fēng)壓最大的部分，可達(dá)30 m/s，而在模型軸向中部附近風(fēng)速最小，其值在約2 m/s，進(jìn)風(fēng)口處的風(fēng)速約為23 m/s，電機(jī)軸向中點(diǎn)處的風(fēng)速約為5 m/s。

風(fēng)壓和風(fēng)速的徑向分布如圖20所示。

(a)風(fēng)壓徑向分布 (b) 風(fēng)速徑向分布圖20 風(fēng)壓和風(fēng)速的徑向分布

在風(fēng)壓徑向分布曲線中可以看到，徑向通風(fēng)溝中的風(fēng)壓在氣隙附近達(dá)到極值，在定子側(cè)風(fēng)壓最大，達(dá)到102 250 Pa，而轉(zhuǎn)子側(cè)最小，為約100 700 Pa，徑向起點(diǎn)處的風(fēng)壓約為101 100 Pa，徑向終點(diǎn)處的風(fēng)速約為101 400 Pa，最大壓力達(dá)到1 550 Pa。風(fēng)速最大值出現(xiàn)在徑向風(fēng)壓最大處附近，達(dá)到36 m/s，而曲線終點(diǎn)的風(fēng)速最小，約為7 m/s，徑向起點(diǎn)出的風(fēng)速約在12.5 m/s。

3 結(jié) 語

通過建立一臺(tái)Y 500-4-1 120 kW-10 kV高壓電動(dòng)機(jī)的整體數(shù)學(xué)模型，得到了與電動(dòng)機(jī)模型相對(duì)應(yīng)的流體區(qū)域計(jì)算模型。經(jīng)計(jì)算得到了電機(jī)內(nèi)部風(fēng)路的風(fēng)壓和風(fēng)速分布規(guī)律，在通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量避免在通風(fēng)最差點(diǎn)出現(xiàn)過熱點(diǎn)，破壞電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部絕緣。

【參考文獻(xiàn)】

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