付余

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲412000）

一種新型機(jī)車牽引電機(jī)通風(fēng)散熱分析及風(fēng)路優(yōu)化

付余

（中車株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲412000）

以公司自主研發(fā)的新型機(jī)車用牽引電機(jī)為研究對(duì)象，基于流體動(dòng)力學(xué)原理（CFD），采用有限體積法，對(duì)計(jì)算域內(nèi)的三維湍流流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，獲得電機(jī)定轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔的流量配比及電機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)，并以此為理論基礎(chǔ)，對(duì)電機(jī)的通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析，得出冷卻效果較好的通風(fēng)風(fēng)路結(jié)構(gòu)，為此平臺(tái)電機(jī)的通風(fēng)冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

異步牽引電機(jī)；流場(chǎng)；溫度場(chǎng)；CFD數(shù)值模擬；風(fēng)路優(yōu)化

隨著我國(guó)軌道交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，列車速度不斷提升，促使作為列車動(dòng)力來源的牽引電機(jī)朝著體積小，重量輕，功率大的方向發(fā)展。牽引電機(jī)的特點(diǎn)是體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。隨著電機(jī)單機(jī)容量不斷提高，電磁負(fù)荷和熱負(fù)荷不斷增加，電機(jī)溫升的高低直接影響電機(jī)的安全穩(wěn)定運(yùn)行及使用壽命，溫升成為制約異步牽引電機(jī)向輕量化發(fā)展的主要因素之一。采用高效、準(zhǔn)確的計(jì)算技術(shù)，模擬電機(jī)內(nèi)冷卻介質(zhì)的流動(dòng)狀態(tài)，了解各部件的溫度分布，可以提高設(shè)計(jì)的可靠性，降低設(shè)計(jì)成本，避免材料等方面的浪費(fèi)[1]。

1 異步牽引電機(jī)通風(fēng)散熱介紹

異步牽引電機(jī)的熱量主要來源包括定子轉(zhuǎn)子鐵心中的基本損耗、電氣損耗、負(fù)載時(shí)的附件損耗及機(jī)械損耗。根據(jù)電機(jī)冷卻介質(zhì)不同，分為空冷和水冷等散熱形式。本文所研究的牽引電機(jī)為強(qiáng)迫空冷電機(jī)，電機(jī)內(nèi)部冷卻空氣的走向見圖1。冷卻空氣從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部后，分為三路，分別通過定子通風(fēng)孔、轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔及定轉(zhuǎn)子之間的氣隙冷卻定轉(zhuǎn)子各部件后，從電機(jī)D端端蓋上的軸向通風(fēng)孔流出。

圖1 電機(jī)計(jì)算域模型內(nèi)部冷卻介質(zhì)流向示意圖

2 計(jì)算域模型

本文應(yīng)用NX軟件建立合理簡(jiǎn)化的模型，固體部件包括帶繞組的定子、鼠籠轉(zhuǎn)子、機(jī)座、端蓋及轉(zhuǎn)軸，固體部件模型如圖2所示。根據(jù)異步牽引電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，計(jì)算域選取牽引電機(jī)整機(jī)模型，邊界壁面為兩端端蓋內(nèi)表面。應(yīng)用固體部件，通過布爾運(yùn)算，得到電機(jī)內(nèi)部空氣區(qū)域。

圖2 計(jì)算域模型圖

3 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

3.1 數(shù)學(xué)模型

針對(duì)異步牽引電機(jī)內(nèi)冷卻介質(zhì)的流動(dòng)特點(diǎn)，為了正確選取控制方程進(jìn)行流場(chǎng)描述，牽引內(nèi)空氣流動(dòng)滿足以下幾點(diǎn)假設(shè)：

（1）牽引電機(jī)內(nèi)流體馬赫數(shù)小于1，電機(jī)內(nèi)的流體為不可壓縮流體，物性參數(shù)為常數(shù)；

（2）重力對(duì)流體的影響忽略不計(jì)；

（3）空氣流動(dòng)為定常流動(dòng)，經(jīng)試算，空氣在電動(dòng)機(jī)內(nèi)循環(huán)流動(dòng)過程中Re遠(yuǎn)大于2300，處于湍流狀態(tài)，因此采用湍流模型對(duì)其進(jìn)行求解。

流動(dòng)與傳熱問題所要求解的主變量為速度和溫度，其通用控制方程為：

式中，φ為通用變量，可代表u、v、w、T等求解變量；Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)；S為廣義源項(xiàng)[2]。

3.2 邊界條件

（1）計(jì)算域內(nèi)入口為速度入口邊界，入口速度為19.534 m/s，出口為壓力出口，壓力為大氣壓力。

（2）設(shè)置湍流參數(shù)時(shí)，選用湍流強(qiáng)度I和當(dāng)量直徑DH組合選項(xiàng)。計(jì)算得入、出口的當(dāng)量直徑分別為247.13 mm、800 mm.

（3）流場(chǎng)計(jì)算時(shí)采用多重參考系（MRF），鼠籠轉(zhuǎn)子空氣區(qū)位于旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系中，轉(zhuǎn)速為電機(jī)額定轉(zhuǎn)速1 625 r/min.為了體現(xiàn)流固之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，固體設(shè)置為靜止，同時(shí)，動(dòng)靜坐標(biāo)系間的摩擦生熱通過設(shè)置旋轉(zhuǎn)壁面的剪切加熱選項(xiàng)實(shí)現(xiàn)[3]。

（4）異步牽引電機(jī)空氣入口溫度取35℃.材料的物性在FLUENT軟件材料庫中選取。異步牽引電機(jī)的損耗換算為各部件內(nèi)熱源值賦在相應(yīng)部件上。

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 流場(chǎng)分析

為了了解牽引電機(jī)內(nèi)部定轉(zhuǎn)子的風(fēng)量配比，監(jiān)測(cè)了定轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔內(nèi)冷卻空氣流量。定子鐵心60個(gè)通風(fēng)孔總質(zhì)量流量為1.433 7 kg/m3，占電機(jī)冷卻空氣總量的66.8%.轉(zhuǎn)子鐵心20個(gè)通風(fēng)孔的總質(zhì)量流量為0.532 1 kg/s，占電機(jī)冷卻空氣總量的24.8%.定轉(zhuǎn)子流量分配比例為2.7：1，滿足設(shè)計(jì)需求。

由圖3（a）極角45°截面壓力分布云圖可知，空氣入口附近壓力較大，壓力數(shù)值在2 100～2 570 Pa之間；壓力沿著軸向從入口向出口方向逐漸降低。定子通風(fēng)溝內(nèi)壓力分布同樣符合上述規(guī)律，且定子風(fēng)溝內(nèi)壓力最高值為1 300 Pa.

圖3（b）為極角90°截面速度矢量分布云圖，從圖中可知：轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝內(nèi)的空氣由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)作用，邊旋轉(zhuǎn)邊向出口方向流動(dòng)。空氣入口附近及位于旋轉(zhuǎn)空氣區(qū)的轉(zhuǎn)子風(fēng)溝中空氣速度較大，與理論分析一致。最高速度為71.7 m/s，位于轉(zhuǎn)子鐵心通風(fēng)孔入口處。氣隙空氣區(qū)連接旋轉(zhuǎn)空氣區(qū)與靜止空氣區(qū)，因而此區(qū)間速度梯度較大。

圖3 極角45°截面壓力及速度矢量分布云圖

4.2 溫度場(chǎng)分析

圖4（a）為極角45°截面截面溫度分布云圖，從云圖來看，冷卻空氣沿著流程溫度逐漸升高，且定轉(zhuǎn)子鐵心、定子繞組及轉(zhuǎn)子導(dǎo)條靠近空氣入口處溫度較低，靠近出口側(cè)溫度較高，與理論分析一致。

為了清晰了解牽引電機(jī)內(nèi)高溫部件的溫度分布情況，輸出定子繞組溫度分布云圖。由圖4（b）可知：

圖4 異步牽引電機(jī)溫度分布云圖

（1）定子繞阻最高溫度位于靠近空氣出口側(cè)直段靠近端部位置，最高溫度為187℃.定子繞阻溫度較高的主要原因是定子銅耗較大，且定子繞阻外面包裹著導(dǎo)熱系數(shù)較低的絕緣材料，導(dǎo)致定子繞阻銅的熱量通過絕緣材料向外傳導(dǎo)速度較慢，因而溫度較高。

（2）定子繞組上下溫度分布不均勻，最大溫差在60℃左右。若系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)，逆變器諧波損耗較大，則存在超溫可能，為提高設(shè)計(jì)余量及換熱效率，對(duì)該異步牽引電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

5 風(fēng)路優(yōu)化思路及優(yōu)化方案

根據(jù)上文牽引電機(jī)流量、速度及溫度的分布，得到以下風(fēng)路優(yōu)化思路：

（1）改變定轉(zhuǎn)子的風(fēng)量配比，增加定子部分的冷卻空氣量，可采取堵住轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔的方式。提出優(yōu)化方案一：堵轉(zhuǎn)子周向均勻的4個(gè)通風(fēng)溝。

（2）改變冷卻空氣流動(dòng)方向，可采取堵住第一排出風(fēng)口的方式，迫使冷卻空氣從下端的出風(fēng)口流出，冷卻定子繞組端部。提出優(yōu)化方案二：堵D端蓋上第一排出風(fēng)口。

在保證網(wǎng)格形式及邊界條件一致的前提下，各風(fēng)路優(yōu)化方案CFD仿真計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1 原方案與優(yōu)化方案定子繞組仿真計(jì)算結(jié)果溫度對(duì)比

（1）優(yōu)化方案一定子繞子最高溫度降低了7℃，繞組平均溫升降低了5℃.從定子繞組各段溫度分布來看，定子繞組冷卻效果較好，且整體溫度數(shù)值更加均勻。

（2）優(yōu)化方案二定子繞組最高溫度降低了5℃，定子繞組平均溫度降低2.94℃，較優(yōu)化方案一相比降低幅度較小。

6 結(jié)束語

通過對(duì)該新型異步牽引電機(jī)通風(fēng)散熱效果分析及風(fēng)路優(yōu)化，得出以下結(jié)論：

（1）該型異步牽引電機(jī)最高溫度位于定子繞組直段與靠近空氣出口處的端部繞組交接處，最高溫度為187.35℃.

（2）在電機(jī)進(jìn)風(fēng)口總風(fēng)量不變的前提下，通過改變定轉(zhuǎn)子風(fēng)量配比，增加定子部分冷卻空氣量，可以達(dá)到降低定子繞組最高溫度的目的，同時(shí)可使定子繞組溫度分布更均勻，為該電機(jī)散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

[1]路義萍，付余，張萬全，韓家德．一種新型無刷勵(lì)磁機(jī)三維熱流場(chǎng)分析[J]．中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2014，34（27）：4699-4705．

[2]陶文栓，數(shù)值傳熱學(xué)[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，2001．

[3]王福軍．計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析－CFD軟件原理與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

[4]孔瓏.工程流體力學(xué)[M]．北京：中國(guó)電力出版社，2007．

Analysis on Traction Motor Ventilation Design and Optimization for A New Type Railway Locomotives

FU Yu
（CRRC Zhuzhou Elecctric Co.，Ltd.，Zhuzhou Hunan 412000，China）

In this paper，an asynchronous traction motor，independent development by our company，which is installed on passenger train is taken as the research object.According to the computational fluid dynamics（CFD）principle，the finite volume method was adopted to simulate and analyse the three dimensional turbulent flow field and temperature field in the computational domain.Understanding the flow distribution and the distribution characteristics of the thermal and flow field in the motor.Taking the results as theoretical basis，optimize the ventilation structure，find out the better cooling effect ventilation.This paper can provide a theoretical basis for the development of ventilation and cooling design of this type asynchronous traction motor.

asynchronous traction motor；flow field；temperature field；CFD numerical simulation；ventilation optimization

U264

A

1672-545X（2017）03-0097-03

2016-12-19

作者介紹：付余（1989-），女，黑龍江哈爾濱人，碩士，助理工程師，從事電機(jī)內(nèi)流動(dòng)傳熱CFD仿真分析研究