姚汝林，劉建成，馮國增，孫少哲

(1．招商局重工(江蘇)有限公司，江蘇 南通226100;2．江蘇科技大學 能源與動力工程學院，江蘇 鎮(zhèn)江212003)

0 引 言

風機電機在將電能轉換為機械能的過程中會產生各種損耗，包括鐵芯損耗、繞組損耗、勵磁損耗和機械損耗。這些損耗最終會轉化為熱能，使電機的溫度升高。溫升過高將直接影響電機繞組絕緣材料的壽命，降低電機出力，嚴重時甚至燒毀電機。實踐表明，溫升每高10℃，電機的使用壽命平均縮短一半［1］。因此有必要準確地計算電機溫度場的分布情況，進行電機通風冷卻系統(tǒng)設計。通風冷卻方式廣泛應用在各中大型電機上，具有結構簡單、維護方便等優(yōu)點。

對電機溫度場的分析，傳統(tǒng)的方法為等效熱網絡法［2］，該方法只能大致地得到鐵芯和繞組的總體溫升和平均溫升，而無法真實的反映電機內部溫度的分布情況以及過熱點的位置和數值。實驗方法能夠獲得電機溫升、冷卻風量等參數，但由于實驗條件和設計成本的限制，很少在實際設計中采用。隨著計算機運算性能的大幅提高以及計算流體力學的成熟應用，有限元方法逐漸成為電機內流場和溫度場計算的主流，已經能夠部分代替實驗研究。然而，目前大多數文獻［3－6］在電機冷卻方面的研究還集中在流場、溫度場的單一物理場的計算分析上，多物理場耦合的研究還很少。

本文以某型船用高溫風機電機為研究對象，設計其通風冷卻系統(tǒng)，并采用計算流體力學和數值傳熱學手段對該船用高溫風機電機和通風冷卻風道的流場與溫度場開展耦合數值模擬，分析電機外殼、定子和轉子的溫度分布情況，以期為保證電機通風冷卻系統(tǒng)的合理設計和安全可靠運行提供參考。

1 三維物理模型的建立與網格劃分

某型高溫風機的結構如圖1 所示，電機額定功率55 kW。該風機用于船舶通風排煙系統(tǒng)，排風溫度高于200℃，圖1 中的箭頭為高溫煙氣吸入方向。對于如此高溫度的排風，如果不采取合理有效的電機冷卻手段，電機將很快燒毀，因此根據電機冷卻的設計目標，須將電機外殼溫度降低到110℃以下。通風冷卻方式如圖2 所示，以一遮熱罩作為冷卻風道將電機與高溫煙氣隔絕，冷卻空氣從進風口進入，流經電機外殼表面時，通過對流換熱作用將電機產生的熱量帶走，后從出風口排出。

根據高溫風機電機的實際尺寸建立三維物理模型，定、轉子簡化為實心圓柱體，如圖2 所示，由于電機結構的對稱性，因此選擇模型的一半作為計算區(qū)域。如圖3 所示，將計算區(qū)域分為3 個部分進行網格劃分:冷卻風道、電機外殼和定轉子。3 個部分都采用四面體非結構化網格，網格總數141 萬。然而根據計算需要，各部分的網格密度和數量不同，冷卻風道網格數98 萬，電機外殼網格數37.1 萬，定轉子網格數5.9 萬。另外在冷卻空氣進風口處進行了網格加密，如圖4 所示。

圖1 某型船用高溫風機結構示意圖Fig.1 Structure diagram of marine high temperature exhaust blower motor

圖2 高溫風機電機三維物理模型Fig.2 Three-dimensional physical model of marine high temperature exhaust blower motor

圖3 計算區(qū)域網格劃分Fig.3 Meshing of the computational domain

圖4 進風口處網格劃分Fig.4 Meshing of the air inlet

2 控制方程與邊界條件

該問題需同時求解連續(xù)方程、動量方程和能量方程。為簡化控制方程，在此做出以下假設:1)所需計算的是最終的通風冷卻效果，因此忽略控制方程組中的非穩(wěn)態(tài)項;2)空氣流動的馬赫數小于0.3，因此不考慮空氣的可壓縮性;3)考慮重力和浮力的影響，應用Boussinesq 假設來模擬浮力流動;4)忽略連續(xù)方程中的質量源項。因此得到的控制方程組為:

連續(xù)方程:

動量方程:

能量方程:

式中Sh為體積熱源的源項，此處應等于電機的發(fā)熱量。電機工作時的發(fā)熱量Q 按下式確定:

式中:P 為電機額定功率，kW;η 為電機效率，%。計算得到該電機的發(fā)熱量為6.1 kW。

另外，冷卻空氣的流動狀態(tài)為湍流，選擇帶旋流修正的k－ε 模型(Realizable k - ε)計算湍流粘性系數，近壁面區(qū)域采用標準壁面函數處理。由于高溫煙氣的排風溫度高于200℃，因此不能忽略輻射換熱的影響，采用P－1 輻射模型計算熱輻射。帶旋流修正的k－ε 模型和P －1 輻射模型的方程可參見Fluent 幫助手冊。

邊界條件設置如表1 所示，其中進風口的入口速度分別設定為10 m/s、20 m/s、30 m/s 和40 m/s，入口溫度同時也分別考慮4 種情況，即25℃、30℃、35℃和40℃，共16 組計算工況。

表1 邊界條件Tab.1 Boundary conditions

3 計算結果與分析

圖5 為入口溫度25℃，入口風速20 m/s 情況下冷卻風道的流線圖，從圖中可以看到冷卻空氣從冷卻風道中間的進風口流入，與電機外殼表面充分接觸后，從圖中左上角位置的出風口流出。還可以觀察到，氣流在靠近進風口處出現了旋渦，這是由于電機的阻擋造成的。雖然旋渦會造成風機阻力損失的增大，然而實際上該類旋渦對于增強電機散熱來說有利。

圖5 冷卻風道流線圖(t=25℃，v=20m/s)Fig.5 Streamlines of the cooling air duct (t=25℃，v=20m/s)

圖6 為入口溫度25℃、入口風速20 m/s 情況下電機外殼肋片處的溫度分布情況，從圖中可以看到翅片上的等溫線向右側傾斜，即右側比左側的分布要密，而且右側的溫度要比左側的溫度低。

圖6 電機外殼肋片處的溫度分布(t=25℃，v=20m/s)Fig.6 The temperature distribution of the fins(t=25℃，v=20m/s)

圖7 為入口溫度25℃，入口風速分別為10 m/s、20 m/s、30 m/s 和40 m/s 情況下的電機外殼的溫度分布。從圖中可以看出，當入口風速為10 m/s 時，電機表面的局部溫度達到391 K (118 ℃)，超過了所要求的110 ℃。在其他3 個工況下，電機表面的溫度都在110 ℃以下。從圖中還可以看出，所有工況下電機表面上溫度最高的位置都位于電機外殼上遠離進風口的地方。

圖7 四種不同進風工況下電機外殼的溫度分布Fig.7 The temperature distribution of the motor shell in four conditions of ventilation

所計算的16 組不同進風工況的結果統(tǒng)計如表2 所示，表中t25v10 為入口溫度25℃風速10 m/s。從表中可看到，入口風速為10 m/s 的情況下，無論對于何種入口溫度，電機外殼的局部最高溫度都超過了所要求的110℃。另外，當入口風速大于30 m/s 的情況下，只要從外界環(huán)境引入的冷卻空氣溫度小于40℃，都可滿足電機冷卻設計的要求。

表2 不同進風工況下電機表面溫度Tab.2 The surface temperature of the motor shell in different conditions of ventilation

4 結 語

通過對某型船用高溫電機通風冷卻系統(tǒng)的設計和數值模擬分析，可以得到以下結論:

1)采用計算流體力學和數值傳熱學手段對該船用高溫風機電機和通風冷卻風道的流場與溫度場開展耦合數值模擬能夠實現。計算得到的冷卻空氣溫升、電機外殼平均表面溫度和局部最高溫度可以作為電機通風冷卻系統(tǒng)設計的參考依據，達到縮短研發(fā)周期、降低產品開發(fā)成本、提高研發(fā)效率的目的。

2)該船用高溫電機通風冷卻系統(tǒng)的設計難點在于確定冷卻空氣的進風溫度和風量，這在設計前是未知的。本文通過考慮外界環(huán)境可能的溫度變化范圍，假定進風口溫度與風速，反復試算得到了盡可能最佳的結果。

3)理論上冷卻空氣的流速越大，電機散熱的效果就越好，然而所需的冷卻風量就越大，相應冷卻風扇的體積就越大，采用體積過大的冷卻風扇不合理，因此在能夠達到電機冷卻要求的前提下，盡可能采用較小的冷卻風量才合理。

［1］閆玉軍，吳亞旗．船用電機溫升過高的原因分析及處理方法［J］．船舶標準化工程師，2011，44(5):21 －23．

［2］溫志偉．基于數值分析的大型同步電機內溫度場的研究［D］．北京:中國科學院研究生院(電工研究所)，2006．

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［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］江熒．自扇冷式電機冷卻系統(tǒng)的數值模擬分析及風扇設計［J］．機械設計與研究，2014(1):115 －119．

［6］馮國增，馮擁軍，許向前．救生艇用柴油機氣缸套溫度場的計算與分析［J］． 艦船科學技術，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．