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        高壓方箱電機(jī)內(nèi)風(fēng)路分析

        2019-04-22 02:46:14
        防爆電機(jī) 2019年2期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)路冷卻器逆向

        (國家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心,黑龍江佳木斯 154002)

        0 引言

        采用徑向式冷卻系統(tǒng)的電機(jī)利用安裝于兩端的軸流風(fēng)扇或者其他能產(chǎn)生輔助風(fēng)壓的零件,將冷卻介質(zhì)從兩端抽入,通過鐵心中的風(fēng)道,從中部由徑向排出。這種冷卻系統(tǒng)具有良好的對稱性,其通風(fēng)損耗較小,散熱面積較大,因此廣泛的應(yīng)用于中型以上的電機(jī)中。徑向通風(fēng)的優(yōu)點(diǎn)是通風(fēng)損耗小,散熱面積大,沿電機(jī)軸向長度上的溫度分布比較均勻。

        1 YXKK 560電機(jī)內(nèi)風(fēng)路分析

        研究的模型(YXKK 560-4P電機(jī))采用的是徑向通風(fēng),即冷卻空氣由兩側(cè)對稱進(jìn)入,如圖1所示。冷卻空氣的主要部分經(jīng)定子線圈端部→轉(zhuǎn)子軛部風(fēng)路→轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道→氣隙→定子徑向風(fēng)道,最后經(jīng)定子鐵心中部排出。這種通風(fēng)系統(tǒng)便于利用轉(zhuǎn)子上能夠產(chǎn)生風(fēng)壓的零部件(如通風(fēng)槽片)的鼓風(fēng)作用,因而得到廣泛應(yīng)用。由于定子繞組端部散熱面積較大,所以靠近端部處溫升較低,由于出槽口處鐵心表面的散熱效果好,故繞組在該點(diǎn)溫度最低。該通風(fēng)方式的通風(fēng)損耗小,散熱面積大,沿電動機(jī)軸向的溫升分布比較均勻。鐵心部分的繞組溫升基本相同,總體來說繞組各部分溫升差異很小。其缺點(diǎn)是風(fēng)扇外徑一般都比轉(zhuǎn)子外徑小,所以風(fēng)扇的風(fēng)壓受到限制,該通風(fēng)系統(tǒng)適用于中等轉(zhuǎn)速的電機(jī),并需要設(shè)置徑向通風(fēng)道,因而使得電動機(jī)軸向尺寸增大,也增加了加工成本。

        圖1 YXKK徑向通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路示意圖

        1.1 模型建模

        1.1.1 網(wǎng)格劃分

        數(shù)值模擬的空氣域劃分為三部分:間隙空氣域、靜止空氣域和旋轉(zhuǎn)空氣域。

        網(wǎng)格是數(shù)值計(jì)算的基本單元,網(wǎng)格劃分的好壞直接影響了數(shù)值計(jì)算的效果。本文網(wǎng)格劃分采用ICEM,在處理上根據(jù)不同流體區(qū)域進(jìn)行不同的網(wǎng)格劃分尺度,下面對每個(gè)流體區(qū)域的網(wǎng)格劃分進(jìn)行展示。

        (1)間隙空氣域網(wǎng)格

        間隙空氣域的空氣流道狹窄,須采用較密網(wǎng)格,限制體積單元的element size為0.01m,整個(gè)間隙空氣域網(wǎng)格數(shù)量約為1.7萬,如圖2所示,采用Automatic網(wǎng)格劃分方法。

        圖2 間隙空氣域網(wǎng)格

        (2)靜止空氣域網(wǎng)格

        靜止空氣域較大,網(wǎng)格數(shù)量較多,約為727萬,限制體積單元的element size為0.02m,采用Automatic網(wǎng)格劃分方法,網(wǎng)格如圖3所示。

        圖3 靜止空氣域網(wǎng)格

        (3)旋轉(zhuǎn)空氣域網(wǎng)格

        依然采用Automatic網(wǎng)格劃分方法,限制體積單元的element size為0.01m。旋轉(zhuǎn)空氣域網(wǎng)格數(shù)量約為220萬,網(wǎng)格顯示如圖4。

        圖4 旋轉(zhuǎn)空氣域網(wǎng)格

        1.1.2 基本假設(shè)和邊界條件設(shè)置

        基本假設(shè)

        (1)由于電機(jī)中流體的雷諾數(shù)很大(Re>2300),流體屬于紊流,因此采用紊流模型對電機(jī)內(nèi)流體場求解。

        (2)忽略浮力和重力對電機(jī)內(nèi)流體場的影響。

        (3)由于只研究電機(jī)內(nèi)流體流速的穩(wěn)定狀態(tài),即定常流動,因而方程不含有時(shí)間項(xiàng)。

        (4)電機(jī)內(nèi)流體場中,流體流速遠(yuǎn)小于聲速,即馬赫(Mach)數(shù)Ma很小,故將流體作為不可壓縮流體考慮。

        邊界條件設(shè)置

        (1)間隙空氣域、靜止空氣域和旋轉(zhuǎn)空氣域之間的交界面,均采用交界面邊界條件。

        (2)電機(jī)旋轉(zhuǎn)部分以及旋轉(zhuǎn)空氣域的轉(zhuǎn)速與電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速相同,本課題為1485r/min。為了比較分析結(jié)果,我們計(jì)算了正向旋轉(zhuǎn)和反向旋轉(zhuǎn)兩個(gè)工況。從非軸伸端看為順時(shí)針旋轉(zhuǎn),我們?nèi)?1485 r/min,命名正向旋轉(zhuǎn), 從軸伸端看為順時(shí)針旋轉(zhuǎn),我們?nèi)?1485 r/min,定義為逆向旋轉(zhuǎn)。

        (3)電機(jī)固壁外表面均采用無滑移光滑壁面。

        2 內(nèi)風(fēng)路流場分析結(jié)果

        2.1 流場流線

        圖5為整個(gè)流場的流線圖。當(dāng)正向旋轉(zhuǎn)時(shí),從非軸伸端可以看到,由于風(fēng)扇的順時(shí)針旋轉(zhuǎn),風(fēng)扇周圍的流速較高,冷卻器內(nèi)流速較低,如圖5(a)、圖5(b)所示。當(dāng)逆向旋轉(zhuǎn)時(shí),即從軸伸端看為順時(shí)針旋轉(zhuǎn),從速度的流線圖可以看到,流線在冷卻器中較少,大部分都在機(jī)座內(nèi),其冷卻效果沒有正向旋轉(zhuǎn)明顯,如圖5(c)、圖5(d)所示。從機(jī)座內(nèi)來看,逆向旋轉(zhuǎn)比正向旋轉(zhuǎn)在定轉(zhuǎn)子周圍分布的流線更多、更均勻,說明在機(jī)座內(nèi)散熱,逆向旋轉(zhuǎn)比正向旋轉(zhuǎn)更有優(yōu)勢,局部溫升比正向旋轉(zhuǎn)要低。

        圖5 整個(gè)流場的流線圖

        2.2 速度矢量圖

        為了更好的觀察內(nèi)風(fēng)路的速度矢量變化情況,現(xiàn)建立軸向截面如圖6所示的灰色部分。

        圖6 軸向截面圖

        圖7 軸向截面速度矢量對比圖

        圖7給出了正向旋轉(zhuǎn)和逆向旋轉(zhuǎn)的軸向截面的速度矢量對比圖,其中圖7(a)為正向旋轉(zhuǎn),圖7(b)為逆向旋轉(zhuǎn)。從圖7(b)逆向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)路與圖1徑向通風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)路示意圖一致。正向旋轉(zhuǎn)和逆向旋轉(zhuǎn)的風(fēng)路走向是相反的。相比在定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)道中的流速,冷卻器中的流體速度都相對較低。

        我們選取中心位置,建立徑向截面,如圖8所示的灰色部分。

        圖8 徑向截面圖

        圖9 軸向截面速度矢量對比圖

        圖9給出了正向旋轉(zhuǎn)和逆向旋轉(zhuǎn)的徑向截面的速度矢量對比圖,其中圖9(a)為正向旋轉(zhuǎn),圖9(b)為逆向旋轉(zhuǎn)。從對比圖中可以看到,正向旋轉(zhuǎn)的流體分布廣泛,而逆向旋轉(zhuǎn)主要沿著機(jī)座壁面向上流動,流體可以通過壁面?zhèn)鳠岬姆绞綄?shí)現(xiàn)更好的冷卻。

        2.3 壓力速度云圖

        為了觀察冷卻器進(jìn)出口的壓力情況,我們建立冷卻器進(jìn)出口平面,圖10給出了正向旋轉(zhuǎn)和逆向旋轉(zhuǎn)的冷卻器進(jìn)出口壓力和速度云圖,其中圖10(a)為正向旋轉(zhuǎn)壓力云圖,圖10(b)為正向旋轉(zhuǎn)速度云圖,圖10(c)為逆向旋轉(zhuǎn)壓力云圖,圖10(d)為逆向旋轉(zhuǎn)速度云圖。圖中正上方為軸伸端,正下方為非軸伸端。

        圖10 冷卻器進(jìn)出口壓力和速度云圖

        從對比圖可以看到,正向旋轉(zhuǎn)比逆向旋轉(zhuǎn)的進(jìn)出口壓差大,但是正向旋轉(zhuǎn)軸伸端的壓力較小,非軸伸端的壓力較大,兩側(cè)的對稱性效果差。逆向旋轉(zhuǎn)的兩側(cè)的對稱性較好,進(jìn)口壓力大,約為293Pa,出口壓力小,約為-46.8Pa。正向旋轉(zhuǎn)和逆向旋轉(zhuǎn)的最大流速都出現(xiàn)在靠近壁面處。

        3 結(jié)語

        完成了對方箱式電機(jī)YXKK 560-4的內(nèi)風(fēng)路分析,通過有限元軟件的仿真分析,建立了YXKK電機(jī)內(nèi)風(fēng)路的分析方法和掌握了分析手段,并進(jìn)行了特性評價(jià),為電機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考借鑒。

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