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0 引言

隨著設(shè)計理念和工藝水平的提高，同中心高同極數(shù)電機，額定功率逐漸增大，對電機的通風(fēng)散熱也有了更高的要求。本文對兩種不同結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽板風(fēng)路進行對比分析，找出合理的結(jié)構(gòu)，滿足電機散熱的要求，達到理想的設(shè)計效果。

1 通風(fēng)槽板結(jié)構(gòu)

通風(fēng)槽板主要用于轉(zhuǎn)子鐵心徑向風(fēng)路通道，其結(jié)構(gòu)型式多樣，可以根據(jù)不同的風(fēng)路結(jié)構(gòu)進行選型，如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)子鐵心的通風(fēng)道

下面為兩種通風(fēng)槽板的結(jié)構(gòu)方案，建立了對應(yīng)的三維模型，具體如圖2所示。

圖2 通風(fēng)槽板的結(jié)構(gòu)

方案1：轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽鋼一長兩短交錯圓周分布，其中較短通風(fēng)槽鋼分布在沖片齒部，較長通風(fēng)槽鋼分布在槽下方軛部，如圖2(a)所示。

方案2：轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽鋼一長一短交錯圓周分布，其中較短通風(fēng)槽鋼分布在沖片齒部，較長通風(fēng)槽鋼貫穿齒、軛部圓周均布，如圖2(b)所示。

2 通風(fēng)道的模型簡化

將完整結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子通風(fēng)系統(tǒng)進行CFD仿真分析是一項繁雜且耗時的計算工程，限于工作站運算能力及時間緊迫性，現(xiàn)只針對一條風(fēng)路通道進行仿真計算，并進行必要的簡化處理，由于轉(zhuǎn)子各條通風(fēng)道具有結(jié)構(gòu)的相似性，因此計算結(jié)果具有相應(yīng)的等效性。

以方案2為例，將1個通風(fēng)槽板和2段等長轉(zhuǎn)子鐵心組合成為一條風(fēng)路通道，具體如圖3所示，并假定沖片之間緊密貼合；轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)子鐵心無間隙配合；轉(zhuǎn)子銅條與轉(zhuǎn)子沖片槽無間隙配合；只有軸向和徑向兩處通風(fēng)道，不存在漏風(fēng)情況。

圖3 通風(fēng)道的模型簡化

從圖3可以看出，我們也對計算模型進行了相關(guān)簡化處理：將轉(zhuǎn)子沖片槽、轉(zhuǎn)子沖片的軸孔進行了封閉填充，其對應(yīng)位置象征著轉(zhuǎn)子軸及轉(zhuǎn)子銅條。

3 計算模型的建立與設(shè)置

由于我們關(guān)注的重點是兩種通風(fēng)槽鋼結(jié)構(gòu)方案中的徑向通風(fēng)效果哪一個更優(yōu)，因此必須建立對應(yīng)的空氣計算模型并進行相關(guān)設(shè)置。

同樣以方案2為例，圖4為與圖3對應(yīng)的空氣計算模型，其主要包括靜止空氣域，即轉(zhuǎn)子外側(cè)環(huán)境空氣；旋轉(zhuǎn)空氣域，即與轉(zhuǎn)子同速旋轉(zhuǎn)的通風(fēng)道內(nèi)部空氣。

圖4 計算模型及邊界

兩種方案的模型設(shè)置保持一致：計算模型的旋轉(zhuǎn)速度為3000r/min，其它具體的邊界條件見表1。

表1 邊界條件的設(shè)置

4 計算結(jié)果及分析

我們將兩種通風(fēng)槽板結(jié)構(gòu)方案中的速度場、風(fēng)道流場以及風(fēng)道壓差進行了定性的對比評價分析。

圖5、圖6分別給出了兩種方案的徑向風(fēng)道截面的全局速度云圖、矢量圖。

圖5 徑向風(fēng)道截面的速度云圖

圖6 徑向風(fēng)道截面的速度矢量圖

圖5、圖6中全局情況下兩種方案的速度分布基本相同，方案2的速度分布更為均勻，沒有明顯的速度梯度；方案1中銅條周邊的速度約為86.4m/s～106.2m/s，方案2中銅條周邊的速度約為92.0m/s～113.4m/s；同時方案1中的最大速度約為116.2m/s，方案2中的最大速度約為124.1m/s，位置均在徑向通風(fēng)道出口附近。

圖7給出了兩種方案的徑向風(fēng)道截面的局部速度矢量圖。

圖7 徑向風(fēng)道截面的局部速度矢量圖

從圖7可以看出兩種方案由于通風(fēng)槽板結(jié)構(gòu)的不同而引起的局部流場分布不同，如上圖中紅圈標(biāo)記所示，兩種方案在徑向風(fēng)道底側(cè)，靠近槽鋼附近處均有局部渦流產(chǎn)生。

圖8給出了在圖7基礎(chǔ)上進一步放大的徑向風(fēng)道截面的局部速度矢量圖。

圖8 徑向風(fēng)道截面的局部放大速度矢量圖

由圖8可以看出，方案1中在槽鋼附近有明顯渦流，同時左圖中的下側(cè)紅色標(biāo)記位置處速度矢量方向有較大改變，兩者均會產(chǎn)生一定的能量損耗；相比方案2中的速度分布更為均勻，風(fēng)道流場更為通暢。除此之外，根據(jù)計算結(jié)果的數(shù)據(jù)，表2給出了兩種方案的徑向通風(fēng)流量、風(fēng)道壓差、通風(fēng)出口平均速度的對比。

表2 數(shù)據(jù)對比

由上表可以看出，兩種方案的數(shù)據(jù)結(jié)果基本相近，相比于方案1，方案2的出口流速更快、出口壓力更大一點。這里值得一提的是，在有限元CFD仿真計算中我們給定了相同的初始條件，關(guān)心的是兩種方案計算數(shù)據(jù)的對比效果，而不是某一方案中的具體數(shù)值。

5 結(jié)語

根據(jù)上述的計算和分析，我們能夠得到以下幾點結(jié)論：(1)全局情況下兩種方案的速度分布基本相同，方案2的速度分布相比更為均勻，沒有明顯的速度梯度，且銅條周邊的速度范圍更高，約為92.0m/s～113.4m/s；最大速度在徑向通風(fēng)道出口附近，約為124.1m/s；(2)兩種方案在徑向風(fēng)道底側(cè)，靠近槽鋼附近處均有局部渦流產(chǎn)生；(3)局部放大速度矢量圖中，方案1中在槽鋼附近有明顯渦流，同時速度矢量方向有較大改變，將產(chǎn)生一定能耗；方案2中速度分布更為均勻，風(fēng)道流場更為通暢；(4)相比于方案1，方案2的出口流速更快，約為86.62m/s；出口壓力更大，約為6145Pa。

綜上所述，建議選用方案2的通風(fēng)槽板結(jié)構(gòu)，同時也更易于加工工藝制造。