李建成，朱常興，王富春，李薇

(1佳木斯電機(jī)股份有限公司北京研發(fā)中心，北京100070；2國家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯154002)

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基于CFD的YB3電機(jī)的外流場研究

李建成1,2，朱常興1,2，王富春1,2，李薇1,2

(1佳木斯電機(jī)股份有限公司北京研發(fā)中心，北京100070；2國家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心，黑龍江佳木斯154002)

針對正在開發(fā)的YB3隔爆型三相異步電動機(jī)外風(fēng)路的流場機(jī)理進(jìn)行了研究，采用基于CFD理論的流體仿真分析方法，對YB3電機(jī)的典型規(guī)格450 6P電機(jī)外風(fēng)路進(jìn)行了流場仿真分析，突破了復(fù)雜結(jié)構(gòu)建模、網(wǎng)格劃分等的技術(shù)，解決了介質(zhì)假設(shè)、邊界條件設(shè)置等問題，通過CFX軟件的分析、數(shù)據(jù)處理，揭示了YB3電機(jī)外風(fēng)路的流場機(jī)理，并通過對比分析印證該方法的正確性。為YB3電機(jī)的研發(fā)以及其他高效電機(jī)的研發(fā)提供了技術(shù)保障。

YB3電機(jī)；外流場；CFD

0 引言

一臺電機(jī)能否安全有效的運行，其中通風(fēng)冷卻至關(guān)重要，它關(guān)系到電機(jī)的效率、運行時間、穩(wěn)定性等諸多方面。隨著電機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展，更大容量、更高電磁負(fù)荷和熱負(fù)荷的電機(jī)會不斷涌現(xiàn)，加之能效標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，將對電機(jī)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)設(shè)計提出更高的要求，迫切需要對電機(jī)風(fēng)路進(jìn)行系統(tǒng)地分析和優(yōu)化設(shè)計。傳統(tǒng)的電機(jī)通風(fēng)冷卻分析方法是采用簡化公式法[1,2]和熱路法[3～5]。由于這兩種方法移植性差且誤差較大，基本上對實際的電機(jī)設(shè)計指導(dǎo)意義不大。對于電機(jī)通風(fēng)冷卻分析的另一種有效方法是計算流體力學(xué)(簡稱CFD)。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展和計算流體力學(xué)各種湍流模型的完善，數(shù)值方法的發(fā)展以及前后處理相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，CFD數(shù)值模擬方法在對流體的初步性能預(yù)測、流動診斷等方面發(fā)揮越來越大的作用。

CFD技術(shù)也用于電機(jī)通風(fēng)冷卻的分析中，其在電機(jī)流場、溫度場的分析中已經(jīng)取得了一定成效。如印度學(xué)者M(jìn).S.Rajagopal等人對含有徑向通風(fēng)溝的電機(jī)的流體場進(jìn)行了計算分析[6]，美國學(xué)者R.E.Mayle等人采用理論與實驗相結(jié)合的方法對電機(jī)氣隙中流體的流動進(jìn)行了研究[7]，韓國學(xué)者Lee Yangsoo等對感應(yīng)電機(jī)的溫度場分布進(jìn)行了分析計算[8]，意大利學(xué)者Cannistra G.等對感應(yīng)電機(jī)起動時的鼠籠型轉(zhuǎn)子溫度場進(jìn)行了分析計算[9]。丁樹業(yè)等對電機(jī)內(nèi)流場進(jìn)行了分析[10]，王洪杰、劉全忠等人對汽輪發(fā)電機(jī)軸流風(fēng)扇進(jìn)行了分析[11,12]，靳延船、周封、李偉力等對電機(jī)定子以及定子通風(fēng)溝進(jìn)行了溫度場分析[13～15]，路義萍等對轉(zhuǎn)子通風(fēng)進(jìn)行了研究[16]。

近年來，歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家對節(jié)約能源及環(huán)境保護(hù)非常關(guān)注。電動機(jī)在電氣傳動中帶動負(fù)載機(jī)械做功的同時也耗用大量的電能，因此提高電機(jī)的運行效率對節(jié)能意義重大。YB3系列隔爆型三相異步電動機(jī)即是在這樣的背景下起動開發(fā)的，我公司正在開發(fā)的是全封閉自扇冷式高效率三相異步電動機(jī)。該系列電機(jī)電磁設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計都在YB2電機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，外風(fēng)路的設(shè)計和分析也為其中非常重要的一環(huán)，本文即是針對YB3電機(jī)典型規(guī)格450 6P進(jìn)行研究，采用CFD技術(shù)對電機(jī)外風(fēng)路的流場進(jìn)行分析，旨在研究外風(fēng)路的流場機(jī)理，下面將針對分析過程、技術(shù)難點進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1 YB3電機(jī)外風(fēng)路建模與網(wǎng)格劃分

YB3電機(jī)外風(fēng)路的工作原理是通過外風(fēng)扇將風(fēng)罩外側(cè)的空氣吸入風(fēng)罩內(nèi)，然后通過風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將吸入的空氣徑向甩出，在風(fēng)罩的約束作用下使具有一定壓力、速度的空氣改變方向，流向散熱片以及電機(jī)外表面，通過與電機(jī)表面的熱交換，將熱量帶走，從而實現(xiàn)對電機(jī)的冷卻作用。圖1給出了YB3電機(jī)的外形圖。

1.1 模型簡化

在進(jìn)行CFD仿真分析之前，需要對電機(jī)外風(fēng)路進(jìn)行一定的模型簡化，主要考慮一些結(jié)構(gòu)對外流場分析結(jié)果的影響不是很重要，同時也可以減輕計算的工作量。主要進(jìn)行的簡化有：機(jī)座部分，將接線盒封閉、去除LOGO、端蓋安裝凸臺、機(jī)座上結(jié)構(gòu)圓角等；地腳部分，將部分筋板變成平面；端罩部分，在保證相同通風(fēng)面積的情況下，減少了通風(fēng)窗數(shù)目。簡化后的模型如圖2所示。

1.2 逆向建模

在進(jìn)行電機(jī)外流場分析時，是針對空氣流經(jīng)的區(qū)域進(jìn)行分析，因而需要對空氣域進(jìn)行建模，如圖3所示。

而空氣域是在電機(jī)零部件的表面與分析域邊界之間形成的。我們借助Solidworks軟件的逆向建模方法來實現(xiàn)對空氣域的建模。這里僅對相對比較復(fù)雜風(fēng)扇空氣域、出口空氣域進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

(1)風(fēng)扇空氣域

風(fēng)扇空氣域是風(fēng)罩和風(fēng)扇實體之間形成的空氣域，如圖4所示，在逆向建模時需要將風(fēng)扇空氣域分成三部分：(1)風(fēng)扇扇葉包圍的空氣域為旋轉(zhuǎn)空氣部分；(2)風(fēng)扇外圍和風(fēng)罩之間形成的空氣域為靜止空氣部分；(3)風(fēng)扇背側(cè)部分也為靜止空氣部分。在采用CFD應(yīng)用軟件CFX分析時，在對模型設(shè)置時旋轉(zhuǎn)空氣部分給定旋轉(zhuǎn)速度，作為旋轉(zhuǎn)域進(jìn)行處理。

(2)出口空氣域

我們將風(fēng)扇后端開始一直到軸伸端作為出口空氣域，出口空氣域為一個直徑為1500mm、長度為2600mm的圓柱體空氣區(qū)域，如圖5所示。從圖中可以看出，出口空氣域是由包圍空氣與機(jī)座外表面共同形成的，這里需要注意一點，由于分析的需要，保留了部分端罩。在CFX軟件中對其采用不可滑移的固壁邊界進(jìn)行處理。

1.3 網(wǎng)格劃分

我們對整個流體域進(jìn)行了網(wǎng)格劃分，劃分結(jié)果如圖6所示。整個流體域網(wǎng)格單元的數(shù)量約為1000萬個，其中入口空氣域、風(fēng)扇空氣域由于結(jié)構(gòu)相對簡單，所以網(wǎng)格劃分相對容易；而出口空氣域中的機(jī)座結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，網(wǎng)格劃分難度較大，網(wǎng)格數(shù)量也很龐大。在網(wǎng)格劃分的處理上，根據(jù)不同的流體區(qū)域進(jìn)行了不同的網(wǎng)格劃分尺度，在結(jié)構(gòu)均勻規(guī)則的區(qū)域采用大尺度的網(wǎng)格劃分，而對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、不規(guī)則區(qū)域提高網(wǎng)格劃分密度來確保結(jié)構(gòu)模型得到真實的呈現(xiàn)。

2 外風(fēng)路流場分析

對外流場分析首先需要對流體介質(zhì)進(jìn)行假設(shè)，然后設(shè)置邊界條件，進(jìn)而進(jìn)行仿真計算，最后對計算結(jié)果進(jìn)行整理和分析。

2.1 流體介質(zhì)假設(shè)

根據(jù)流體介質(zhì)的特性和對外風(fēng)路流場的分析，對流體介質(zhì)作如下假設(shè)。

(1)因為電機(jī)外風(fēng)扇內(nèi)空氣的雷諾數(shù)相對很大，流體的流動特性屬于湍流，應(yīng)采用湍流計算模型對電機(jī)外部流體場進(jìn)行計算；

(2)機(jī)座表面的空氣流速小，遠(yuǎn)小于聲速，即馬赫數(shù)較小，故把流體視為不可壓縮的粘性流體處理；

(3)在對流體研究的過程中，只研究流體的穩(wěn)態(tài)流動，也就是定常流動，故在求解方程中不包含有時間項；忽略流動空氣的重力及浮力對流體流動的影響。

2.2 邊界條件設(shè)置

根據(jù)YB3電機(jī)工作環(huán)境分析，邊界條件設(shè)置如圖7所示，具體設(shè)置條件如下。

(1)在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，流體域模型的入口、出口均設(shè)置為壓力邊界，壓力值為0Pa；

(2)外風(fēng)扇及其附近處的旋轉(zhuǎn)空氣域轉(zhuǎn)速與電機(jī)額定運行時轉(zhuǎn)速相同，為1000rpm；

(3)電機(jī)固壁外表面均采用無滑移光滑壁面；

(4)靜止空氣域圓柱形外壁面設(shè)為開放邊界條件；

(5)入口部分、風(fēng)扇部分和出口機(jī)座部分之間，以及風(fēng)扇部分內(nèi)旋轉(zhuǎn)與靜止空氣域之間的交界面，采用交界面邊界條件。

2.3 流場計算結(jié)果

設(shè)置好初始邊界條件后，可以采用CFD的應(yīng)用軟件CFX對YB3外流場進(jìn)行仿真分析，通過數(shù)據(jù)后處理，可以得到Y(jié)B3外流場的速度、壓力以及流線等信息。

(1)入口空氣域

圖8給出了入口空氣域軸向截面的壓力、速度云圖。

從圖上可以看出，入口空氣域在接近入口和外側(cè)開放邊界處的壓力幾乎為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，而在風(fēng)扇端罩窗附近產(chǎn)生了較大的負(fù)壓值，約-55Pa；同樣，速度場的分布也是在遠(yuǎn)離風(fēng)扇端罩窗的速度值較小，而接近窗孔處的速度值較大，約12m/s。這是因為在風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)運動的作用下，在入口產(chǎn)生負(fù)壓將空氣吸入，同時也是對空氣進(jìn)行加速導(dǎo)致的結(jié)果。

(2)風(fēng)扇空氣域

圖9給出了風(fēng)扇空氣域軸向截面的壓力、速度云圖。

從圖上可以看出，在風(fēng)扇空氣域內(nèi)由于風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)運動將空氣加速向外甩出，但由于有端罩壁面的約束作用，所以內(nèi)部壓力逐漸上升，風(fēng)扇中間區(qū)域具有較大的負(fù)壓值，約為-300Pa；壁面附近處壓力值較大，約為380Pa；空氣在端罩出口處壓力值約為200Pa；在風(fēng)扇四周和端罩出口處流速較大，平均速度值約為24m/s。圖10給出了風(fēng)扇徑向界面的流速矢量圖。從圖上可以看出，端罩內(nèi)空氣的旋轉(zhuǎn)運動具有明顯的方向性，在扇葉外徑端面附近的速度值最大，約為34.67m/s，這與轉(zhuǎn)速1000r/min，扇葉外徑尺寸330mm所計算的理論速度值34.54m/s非常接近。

(3)出口空氣域

圖11給出了出口空氣域軸向截面的壓力、速度云圖。

從圖上可以看出，從風(fēng)扇端罩出口進(jìn)入的空氣壓力約200Pa，速度約24m/s；受到機(jī)座結(jié)構(gòu)阻礙和空氣擴(kuò)散作用，空氣流經(jīng)機(jī)座外側(cè)后，壓力和速度均有所降低，分別為10Pa、14m/s左右。

(4)整體空氣域

圖12給出了整體空氣域的軸向截面壓力、速度云圖。圖13給出了整體空氣域的流線圖。

圖12、圖13比較直觀的反映了外流場的空氣運動機(jī)理。從圖上可以看出由于風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)作用，將風(fēng)罩外的自然空氣吸入風(fēng)罩，通過離心力對其加速、加壓，獲得了流速約為24m/s、壓力約為200Pa、流量約為5.11kg/s的冷卻空氣，通過風(fēng)罩的結(jié)構(gòu)限制，冷卻空氣大部分從電機(jī)機(jī)座表面和散熱筋間流過，在出口處的速度、壓力都有所降低，約為14m/s和10Pa左右。在尾端，因為局部負(fù)壓以及空氣的擴(kuò)散作用，部分空氣流出現(xiàn)匯聚效應(yīng)。

2.4 仿真結(jié)果對比分析

為了驗證YB3電機(jī)外風(fēng)路流場仿真分析結(jié)果，我們與安世亞太(ANSYS中國技術(shù)代理公司)公司提供的電機(jī)流場分析結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖14所示。

從圖上不難看出兩者流線分析結(jié)果基本相同，從而證明我們的仿真分析方式是正確的。

3 結(jié)語

本文基于CFD方法，采用CFX軟件對YB3電機(jī)的外風(fēng)路進(jìn)行了流場分析，通過分析可以得出如下結(jié)論。

(1)建立了基于CFD的YB3外流場仿真分析方法，突破了復(fù)雜模型的建模和網(wǎng)格劃分技術(shù)，解決了邊界條件設(shè)置等技術(shù)難題，并通過與安世亞太公司提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，印證了該方法的正確性，能夠真實反映電機(jī)外流場流動機(jī)理；

(2)通過仿真計算可知，風(fēng)扇將處于自然環(huán)境的空氣吸入風(fēng)罩并通過離心力對其加速、加壓，獲得了流速約為24m/s、壓力約為200Pa、流量約為5.11kg/s的冷卻空氣，冷卻空氣大部分流經(jīng)電機(jī)機(jī)座表面，最后速度、壓力都有所降低，約為14m/s和10Pa左右。

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Research on External Flow Field of YB3 Series Motors Based on CFD

LiJiancheng,ZhuChangxing,WangFuchun,andLiWei

(1.Beijing Research and Development Center, Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Beijing 100070, China；2.National Engineering Technology Research Center of Explosion-Proof Electric Machine, Jiamusi 154002, China)

As for the YB3 series flameproof three-phase induction motors under development, flow field mechanism of external wind path is researched. Simulation analysis on flow field of external wind path of typical product (6-pole YB3 motor with frame size 450) is carried out based on CFD theory by fluid simulation analysis method. This method has made a breakthrough in technologies of complex structure modeling and grid partition and has solved problems of assuming medium and setting boundary condition. This paper reveals flow field mechanism of external wind path of YB3 series motors by CFX software analysis and data processing and confirms correctness of the method by contrastive analysis. It provides a technical support for research and development of YB3 series motors and other high-efficiency motors.

YB3 series motors；external flow field；CFD

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.09

TM301.4+1

B

1008-7281(2016)05-0029-006

李建成 男 1987年生；畢業(yè)于天津大學(xué)流體力學(xué)專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計、流場分析等工作.

2015-10-21