(國家防爆電機工程技術(shù)中心，黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

在電機設(shè)計中，采用空氣表面冷卻的電機，結(jié)構(gòu)簡單、制造及運行成本低，所以在中小型電機中應(yīng)用廣泛?？諝饫鋮s電機根據(jù)空氣流動方向的不同，一般分為徑向、軸向及混合三種通風(fēng)系統(tǒng)，其中徑向通風(fēng)系統(tǒng)由于各結(jié)構(gòu)部分在電機內(nèi)布置較合理，而且能充分利用轉(zhuǎn)子上通風(fēng)道隔片的鼓風(fēng)作用，應(yīng)用較為普遍。而徑向通風(fēng)系統(tǒng)一般采用離心式風(fēng)扇。

1 不同型式離心風(fēng)扇有限元分析

1.1 模型的建立

為了對離心風(fēng)扇在風(fēng)路中的出風(fēng)情況進行研究，通過Solidworks繪制了仿真模型，建立風(fēng)扇模型如圖1所示。

圖1風(fēng)扇模型

Solidworks給出的是實體模型，本課題研究的是電機風(fēng)扇周圍的空氣域，故需要采用逆向建模的方法，得到流場進行數(shù)值模擬，數(shù)值模擬的空氣域劃分為兩部分：旋轉(zhuǎn)空氣域(圖2)和靜止空氣域(圖3)。

(1)旋轉(zhuǎn)空氣域

為研究風(fēng)扇周圍的旋轉(zhuǎn)空氣情況，我們在風(fēng)扇周圍建立了一個圓柱體的空氣域，圖2所示區(qū)域主要為風(fēng)扇周邊和風(fēng)扇所包圍的空氣域。

(2)靜止空氣域

選取的靜止空氣域為旋轉(zhuǎn)空氣域周邊，假設(shè)空氣是靜止的區(qū)域，其目的主要是為了研究旋轉(zhuǎn)域周邊的出風(fēng)和進風(fēng)情況，給旋轉(zhuǎn)空氣域提供一個合理的邊界條件，如圖3所示。

圖2旋轉(zhuǎn)空氣域

圖3靜止空氣域

1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格是數(shù)值計算的基本單元，網(wǎng)格劃分的好壞直接影響數(shù)值計算的結(jié)果。該課題網(wǎng)格劃分采用ICEM，根據(jù)不同流體區(qū)域采用不同的網(wǎng)格劃分尺度，每個流體區(qū)域的網(wǎng)格劃分如下所示。

(1)旋轉(zhuǎn)空氣域網(wǎng)格

采用Automatic網(wǎng)格劃分方法，限制體積單元的element size為0.010m。旋轉(zhuǎn)空氣域網(wǎng)格數(shù)量約為56萬，網(wǎng)格如圖4所示。

圖4旋轉(zhuǎn)空氣域網(wǎng)格

(2)靜止空氣域網(wǎng)格

靜止空氣域網(wǎng)格數(shù)量約為819萬，限制體積單元的element size為0.020m，也采用Automatic網(wǎng)格劃分方法，網(wǎng)格如圖5所示。

圖5靜止空氣域網(wǎng)格

(3)整個空氣域網(wǎng)格

整個空氣域網(wǎng)格數(shù)量為875萬，限制 Max Size為0.025m,網(wǎng)格如圖6所示。

圖6整個空氣域網(wǎng)格

1.3 基本假設(shè)和邊界條件設(shè)置

1.3.1 基本假設(shè)

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

(2)忽略浮力和重力對電機內(nèi)流體場的影響；

(3)由于只研究電機內(nèi)流體流速的穩(wěn)定狀態(tài)，因而方程不含有時間項。

1.3.2 邊界條件設(shè)置

(1)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)旋轉(zhuǎn)空氣域的轉(zhuǎn)速設(shè)為1485r/min;

(3)風(fēng)扇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。

1.4 離心式風(fēng)扇流場CFX分析結(jié)果

根據(jù)葉片出口角度的不同,離心風(fēng)扇可分為:前傾風(fēng)扇、后傾風(fēng)扇和徑向風(fēng)扇，如圖7所示，旋轉(zhuǎn)方向為逆時針旋轉(zhuǎn)，本文對這三種離心風(fēng)扇進行了對比分析。

圖7離心式風(fēng)扇結(jié)構(gòu)形式

1.5 風(fēng)壓對比

如圖7所示，無論是哪種形式的風(fēng)扇，均是正面風(fēng)壓比較大，背面壓差比較小。相比前傾和徑向式風(fēng)扇，后傾式離心風(fēng)扇的壓力分布較均勻，變化梯度小，形狀較規(guī)則，說明其能量損耗較小。圖8給出了不同標(biāo)尺下的風(fēng)壓圖。

圖8離心式風(fēng)扇風(fēng)壓圖(左：前傾，中：后傾，右：徑向)

從圖8中可以觀察到，氣動壓力最大的是前傾風(fēng)扇，約為158.7Pa,最小的是后傾，約為95Pa，徑向風(fēng)扇在兩者之間。但前傾式風(fēng)扇的壓力分布最不均勻，形狀也不規(guī)則，徑向風(fēng)扇次之。

1.6 流線對比

流線圖可以明顯的觀察流動的渦流情況，展示三種形式離心風(fēng)扇的流體在風(fēng)路中的流動情況如圖9所示。從圖中可以看到，流速最高，幾乎看不見渦流現(xiàn)象的是后傾式風(fēng)扇。前傾式風(fēng)扇的渦流現(xiàn)象最嚴(yán)重，且流速最低。徑向式風(fēng)扇有局部渦流，且流速居中。從能量損耗方面考慮，后傾式風(fēng)扇的效率最高。

圖9離心式風(fēng)扇流線圖(左：前傾，中：后傾，右：徑向)

2 結(jié)語

離心風(fēng)扇具有風(fēng)壓高、風(fēng)量小、效率低的特點，一般適用于低速電機。本部分對不同葉片出口角度的離心風(fēng)扇在風(fēng)路中的情況進行了模擬分析。結(jié)果總結(jié)如下：后傾式離心風(fēng)扇扇葉間的渦流較小，損耗較小，風(fēng)扇效率高，是大部分單向旋轉(zhuǎn)中高速電機的首選。前傾式離心風(fēng)扇渦流較大，風(fēng)扇效率低，但氣動壓力最大，一般適用于低速單向旋轉(zhuǎn)電機。徑向式離心風(fēng)扇渦流居中，風(fēng)扇效率也低，但其具有雙向旋轉(zhuǎn)的特點，所以適用工況的能力強，應(yīng)用范圍較廣。