曹 飛， 鄭國麗， 周黎民， 黃鵬程

(南車株洲電機(jī)有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

隨著電機(jī)向高效率小型化發(fā)展，電機(jī)的發(fā)熱問題成為單機(jī)容量增長的主要障礙，是電機(jī)設(shè)計(jì)需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。一種良好的電機(jī)通風(fēng)冷卻系統(tǒng)應(yīng)能產(chǎn)生足夠的冷卻風(fēng)量、均勻的冷卻效果和最小的通風(fēng)損耗，而且要求結(jié)構(gòu)簡易、安全可靠、維護(hù)工作量小、檢修方便等[1- 4]。電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，繞組溫升高可能由多種因素引起，包括冷卻設(shè)計(jì)不合理使電機(jī)的熱量不能散出；制造工藝不合格，導(dǎo)致電機(jī)熱阻增加；運(yùn)行條件惡劣，電機(jī)散熱效果差等因素。即使同種型號(hào)的電機(jī)批量生產(chǎn)，每個(gè)個(gè)體的冷卻性能也有所差異，導(dǎo)致不同電機(jī)的溫升試驗(yàn)結(jié)果有些偏高有些偏低。因此，除了風(fēng)路結(jié)構(gòu)要求設(shè)計(jì)合理以外，需要分析可能導(dǎo)致電機(jī)溫升高的因素，在電機(jī)制造和運(yùn)行時(shí)避免這些不利因素的產(chǎn)生。本文以三相異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，對(duì)電機(jī)整機(jī)的三維溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，對(duì)電機(jī)內(nèi)部流場和溫度場進(jìn)行分析，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)。介紹了電機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，機(jī)座散熱筋的高度、間距確定的原則與方法以及離心風(fēng)扇的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。針對(duì)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)和冷卻方式的特點(diǎn)，分析了可能導(dǎo)致電機(jī)溫升高的影響因素。本文所采用的仿真計(jì)算方法可作為一種有效的電機(jī)溫升計(jì)算方法，可根據(jù)計(jì)算得到的電機(jī)各部件溫升以及溫度分布進(jìn)行驗(yàn)證和結(jié)構(gòu)改進(jìn)。本文涉及的散熱筋和外風(fēng)扇的設(shè)計(jì)方法以及引起電機(jī)溫升高的影響因素的分析對(duì)電機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有一定的理論參考價(jià)值。

1 電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)

三相異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)的冷卻方式為IC411，通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。電機(jī)的外風(fēng)路由電機(jī)風(fēng)罩、外風(fēng)扇和散熱筋組成?？諝鈴娘L(fēng)罩處吸入，經(jīng)過風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)增壓形成氣流，從風(fēng)罩出口流出，沿著散熱筋流動(dòng)，逐步減速擴(kuò)散，冷卻機(jī)座表面。電機(jī)內(nèi)部空氣在內(nèi)風(fēng)扇的作用下加速循環(huán)，使熱空氣更好的與機(jī)座和端蓋交換熱量。電機(jī)的熱量一部分通過定子鐵心傳遞給機(jī)座，一部分經(jīng)電機(jī)內(nèi)部空氣對(duì)流傳給機(jī)座，最終通過機(jī)座表面散出。

圖1 電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)： (1) 電機(jī)中局部阻力占總阻力的絕大部分，沿程阻力相對(duì)甚小。且電機(jī)中雷諾數(shù)的數(shù)值很大，整個(gè)系統(tǒng)處于高紊流狀態(tài)，沿程阻力系數(shù)接近常數(shù)，在一定范圍內(nèi)與雷諾數(shù)無關(guān)。(2) 電機(jī)產(chǎn)生的壓頭(包括風(fēng)扇在內(nèi))與圓周速度的平方成正比。(3) 認(rèn)為是不可壓縮流動(dòng)，不計(jì)空氣密度的微小變化。(4) 忽略浮力的影響。(5) 由于是封閉循環(huán)系統(tǒng)，與外力無關(guān)，邊界條件自動(dòng)建立。

2 計(jì)算域處理與求解條件

2.1 計(jì)算域處理

根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，若進(jìn)行電機(jī)的三維溫度場數(shù)值分析，需對(duì)電機(jī)整機(jī)進(jìn)行三維建模，電機(jī)大致分成如下區(qū)域： 定子、轉(zhuǎn)子、內(nèi)風(fēng)扇、機(jī)座、端蓋和外風(fēng)扇。定子端部線圈為空間曲線建模，端部絕緣厚度薄不易建模，數(shù)值計(jì)算時(shí)需考慮端部絕緣導(dǎo)熱的影響，將定子端部線圈壁面設(shè)置成耦合壁面，給定絕緣厚度，設(shè)置成絕緣材料。散熱筋對(duì)電機(jī)的冷卻影響較大，端蓋和機(jī)座的散熱筋不能忽略和簡化。

電機(jī)機(jī)座上散熱筋的對(duì)流換熱系數(shù)難以給定，故建立計(jì)算域時(shí)，需要在電機(jī)外部建立一個(gè)流體域。為使計(jì)算更接近實(shí)際，外部流體域要足夠大，外包流體域的范圍按如下方式選?。?假設(shè)電機(jī)軸向總長為λ，入口面距離電機(jī)外風(fēng)扇入口處為λ，設(shè)置為壓力入口；出口面距離電機(jī)軸伸端面為2λ，設(shè)置為壓力出口；流體域側(cè)面和頂面距離電機(jī)機(jī)座為λ，設(shè)置為壓力邊界，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；底面與電機(jī)底座平齊。計(jì)算域以Z軸作為旋轉(zhuǎn)軸，如圖2所示。

圖2 計(jì)算域選取

2.2 求解條件

在多重參考坐標(biāo)系下，建立流動(dòng)與傳熱穩(wěn)態(tài)控制方程，包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型[5]。求解條件包括： (1) 設(shè)置電機(jī)各部件的材料屬性，包括密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。(2) 環(huán)境溫度為40℃，入出口壓力均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。電機(jī)轉(zhuǎn)速為1518r/min。(3) 假設(shè)電機(jī)各發(fā)熱部件熱源均布，根據(jù)損耗計(jì)算熱源強(qiáng)度。

3 結(jié)果分析與試驗(yàn)驗(yàn)證

通過數(shù)值計(jì)算得出： (1) 內(nèi)風(fēng)路循環(huán)風(fēng)量0.49m3/s，外風(fēng)路風(fēng)扇入口風(fēng)量1.60m3/s，電機(jī)機(jī)械損耗為4.18kW。(2) 定子繞組平均溫升91K，最高溫升100K，電機(jī)絕緣等級(jí)為H級(jí)絕緣，溫升限值按照電阻法<125K，埋置檢溫計(jì)法<135K。電機(jī)繞組溫升低于溫度允許限值，符合設(shè)計(jì)要求。(3) 機(jī)座散熱筋表面考慮0.5mm厚絕緣漆導(dǎo)熱相比忽略絕緣漆導(dǎo)熱的情況，定子繞組平均溫升升高6K?？梢姍C(jī)座表面散熱情況對(duì)整個(gè)電機(jī)的溫升有重要的影響。

機(jī)座表面溫度分布如圖3所示。

圖3 機(jī)座溫度分布圖

為了驗(yàn)證仿真分析方法的準(zhǔn)確性，將仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。軸承溫升和定子繞組溫升的計(jì)算值與實(shí)測值的對(duì)比數(shù)據(jù)如表1所示。通過計(jì)算值與實(shí)測值的對(duì)比，計(jì)算誤差均<15%，在工程允許范圍內(nèi)，證明計(jì)算方法可行?？梢姴捎脭?shù)值方法計(jì)算電機(jī)溫升不僅可以為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)，同時(shí)也可應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后期驗(yàn)證。

表1 計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

4 機(jī)座散熱筋與外風(fēng)扇的設(shè)計(jì)依據(jù)

4.1 機(jī)座散熱筋的高度、間距確定的原則與方法

機(jī)座散熱筋的高度和數(shù)量直接影響電機(jī)的散熱。散熱筋片數(shù)多，散熱面積大，但通風(fēng)道變窄。散熱筋片數(shù)少通風(fēng)道變寬、可散熱面積又會(huì)變少。因而散熱筋的設(shè)計(jì)要綜合考慮鑄造工藝和散熱效果等因素。散熱筋的基準(zhǔn)片高度約為機(jī)座內(nèi)徑的0.065～0.090倍，最高片與基準(zhǔn)片之比為1.3～1.7。片間距為基準(zhǔn)片高度的0.65～0.80倍，邊緣片的間距適當(dāng)增加1.0～5.0mm[6]。

4.2 外風(fēng)扇的設(shè)計(jì)依據(jù)

外風(fēng)扇的形狀和尺寸對(duì)電機(jī)的通風(fēng)有較大影響。采用適當(dāng)?shù)娜~片形狀、葉片尺寸和葉片的片數(shù)可增加風(fēng)量，但要注意外風(fēng)罩與風(fēng)扇的徑向間隙如果太小或外風(fēng)罩的進(jìn)風(fēng)口直徑過大會(huì)引起漏風(fēng)及旋渦，增大風(fēng)壓損耗影響電機(jī)通風(fēng)。

離心式風(fēng)扇的計(jì)算主要是確定其內(nèi)外徑D1和D2、葉片的寬度b和傾角β[7]。離心風(fēng)扇的設(shè)計(jì)可按照徑向風(fēng)扇設(shè)計(jì)，在尺寸初步確定以后，通過進(jìn)一步調(diào)整風(fēng)扇內(nèi)外徑以及風(fēng)扇傾角改變風(fēng)扇的流量和機(jī)械損耗。對(duì)于徑向風(fēng)扇的設(shè)計(jì)有如下幾個(gè)計(jì)算要點(diǎn)：

(1) 確定電機(jī)所需風(fēng)量qv。根據(jù)能量守恒關(guān)系，計(jì)算電機(jī)所需冷卻介質(zhì)總的體積流量。

式中： ∑Ph——由冷卻介質(zhì)帶走的損耗；

Ca——冷卻介質(zhì)的比熱容；

Δτa——冷卻介質(zhì)通過電機(jī)后的溫升。

(2) 確定線速度u2，表達(dá)式為

式中：n——風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；

D2——風(fēng)扇葉輪外徑。

5 引起電機(jī)繞組溫升高的影響因素

電機(jī)的溫升與電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)及有效材料的電磁負(fù)載密切相關(guān)。電機(jī)的損耗幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量傳遞給周圍的冷卻介質(zhì)，當(dāng)電機(jī)發(fā)出的熱量與散出的熱量平衡時(shí)，溫升達(dá)到穩(wěn)定。冷卻方式為IC411的電機(jī)繞組溫升不合格，分析其原因主要有如下方面：

(1) 設(shè)計(jì)不合理。① 磁路計(jì)算不合理： 電機(jī)效率低、總損耗大，空載電流增加，功率因數(shù)下降會(huì)引起電機(jī)溫升升高。② 通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理： 機(jī)座表面散熱面積小以及外風(fēng)扇的冷卻風(fēng)量不夠會(huì)導(dǎo)致電機(jī)散熱量小，繞組溫升提高。

(2) 制造工藝引起的熱阻增加。① 定子鐵心與機(jī)座的配合。鐵心與繞組的熱量絕大部分是通過鐵心與機(jī)座的接觸面，由機(jī)座表面散掉，鐵心外圓與機(jī)座一般采用較小盈量的過盈配合。由于機(jī)械加工和電機(jī)沖片，鐵心壓裝的精度較低使鐵心外圓與機(jī)座的配合間隙過大或表面粗糙度較大會(huì)影響散熱使電機(jī)溫升升高。② 電機(jī)繞組絕緣處理質(zhì)量差。繞組銅線間、絕緣材料間以及它們與鐵心之間的空隙、毛細(xì)孔、沒有被導(dǎo)熱性能較好的漆充分填充會(huì)使電機(jī)繞組的導(dǎo)熱能力下降，因?yàn)榭諝獾膶?dǎo)熱系數(shù)遠(yuǎn)小于絕緣漆的導(dǎo)熱系數(shù)。③ 風(fēng) 扇損壞或緊固不牢、風(fēng)扇葉片安裝方向裝反會(huì)導(dǎo)致冷卻風(fēng)量不足，從而使電機(jī)溫升升高。

(3) 工作環(huán)境惡劣。① 電機(jī)內(nèi)外積垢太多將嚴(yán)重影響電機(jī)散熱。② 通風(fēng)道堵塞，使通風(fēng)不暢。③ 環(huán)境溫度過高，超過40℃，因?yàn)槔@組銅損隨氣溫上升而增加，所以氣溫變化對(duì)封閉電機(jī)影響也較大。

6 結(jié) 語

如通過對(duì)三相異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)通風(fēng)散熱分析得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 冷卻方式為IC411，靠機(jī)座表面散熱的電機(jī)，由于散熱筋表面的對(duì)流換熱系數(shù)很難給定，因此進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，計(jì)算域應(yīng)包括電機(jī)周圍的流體域，并且流體域范圍足夠大。

(2) 根據(jù)數(shù)值仿真計(jì)算可得出電機(jī)內(nèi)外風(fēng)路的循環(huán)風(fēng)量、電機(jī)的機(jī)械損耗、電機(jī)定子繞組溫升，將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，誤差在工程允許范圍內(nèi)，符合設(shè)計(jì)要求。

(3) 機(jī)座散熱筋的設(shè)計(jì)要綜合考慮鑄造工藝和散熱效果等因素，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按照一定的設(shè)計(jì)原則，使散熱筋的高度和數(shù)量取最佳值。外風(fēng)扇設(shè)計(jì)的目標(biāo)是產(chǎn)生足夠的冷卻風(fēng)量和最小的機(jī)械損耗。

(4) 分析電機(jī)溫升高可能引起的因素主要是設(shè)計(jì)不合理、制造工藝引起的熱阻增加及工作環(huán)境惡劣。

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