晉社民，郭 瑞，楊 瑞，吳卓琦

（1.蘭州電機(jī)股份有限公司，甘肅 蘭州 730050；2.蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

1 引言

冷卻系統(tǒng)是感應(yīng)交流電機(jī)設(shè)計(jì)的重要部分，系統(tǒng)的冷卻效率直接影響電機(jī)的發(fā)電效率及工作壽命[1-2]。目前國內(nèi)對電機(jī)冷卻系統(tǒng)分析主要采用傳統(tǒng)的換熱公式計(jì)算并使用經(jīng)驗(yàn)公式對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正以及針對發(fā)熱部件或部分流道進(jìn)行有限元計(jì)算的兩種研究方法，而對整機(jī)換熱系統(tǒng)進(jìn)行流場、溫度場綜合分析的研究較少。相較于傳統(tǒng)工程經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算方法，模擬計(jì)算的流場與發(fā)熱部件壁面交界傳熱系數(shù)是采用耦合計(jì)算所得而不是使用經(jīng)驗(yàn)公式，能得出更為準(zhǔn)確的通風(fēng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整機(jī)分析相較于部分模擬的優(yōu)勢在于可詳細(xì)分析復(fù)雜零部件三維結(jié)構(gòu)或者空間曲面流道對換熱系統(tǒng)的影響。利用CFD 軟件分析整機(jī)冷卻系統(tǒng)，可以更全面得到發(fā)熱部件溫度場以及冷卻系統(tǒng)的流場分布特點(diǎn)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)[3-5]。文獻(xiàn)[6]對空-空冷中型電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行流場與溫度場分析，文獻(xiàn)[7]以鼠籠型異步電機(jī)為研究對象，對主要熱源部件進(jìn)行建模，并進(jìn)行分析。以上分析只對熱源部件個別部分進(jìn)行研究并沒有進(jìn)行整機(jī)分析。文獻(xiàn)[8]對510kW 電機(jī)進(jìn)行整機(jī)分析，并提出優(yōu)化通風(fēng)結(jié)構(gòu)方案。文獻(xiàn)[9]通過流體力學(xué)和傳熱學(xué)對采用風(fēng)冷和水冷系統(tǒng)的電機(jī)基座進(jìn)行計(jì)算分析。國內(nèi)對于大型電機(jī)的空冷系統(tǒng)進(jìn)行整機(jī)分析研究較少，因此以6.3MW 大型交流電機(jī)為例進(jìn)行整機(jī)冷卻系統(tǒng)分析，對內(nèi)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析，在工程上具有一定參考價值。

感應(yīng)交流電機(jī)換熱系統(tǒng)主要包括定子鐵芯、定子繞組、轉(zhuǎn)子鐵芯、內(nèi)冷卻風(fēng)扇、通風(fēng)流道、外冷卻風(fēng)扇等。感應(yīng)發(fā)電機(jī)是通過旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子與定子間氣隙的電磁感應(yīng)作用，使得轉(zhuǎn)子產(chǎn)生感應(yīng)電流實(shí)現(xiàn)發(fā)電。一般大型感應(yīng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，考慮到整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，電機(jī)選擇臥式結(jié)構(gòu)居多。電機(jī)運(yùn)作時定子的鐵、銅損耗，轉(zhuǎn)子的鐵芯機(jī)械損耗及電機(jī)零部件的雜項(xiàng)損耗是電機(jī)的主要發(fā)熱原因[10]。根據(jù)發(fā)熱部件裝配位置及臥式電機(jī)結(jié)構(gòu)，冷卻系統(tǒng)一般為軸、徑向通風(fēng)。電機(jī)采用轉(zhuǎn)軸端部安裝的內(nèi)冷卻風(fēng)扇和外冷卻風(fēng)扇進(jìn)行雙重冷卻，從外冷卻風(fēng)扇吸入冷卻空氣并通過內(nèi)冷卻風(fēng)扇，按照轉(zhuǎn)子鐵芯通風(fēng)槽、定子繞組、定子鐵芯通風(fēng)槽的順序流經(jīng)主要發(fā)熱部件，在空腔匯總后排出電機(jī)完成散熱，如圖1 所示。

圖1 發(fā)電機(jī)模型以及冷卻系統(tǒng)示意圖Fig.1 Numerical Analysis Model and Cooling System

2 電機(jī)建模以及邊界條件

感應(yīng)電機(jī)經(jīng)過實(shí)際測量后進(jìn)行結(jié)構(gòu)劃分并使用Solidworks建立對應(yīng)的數(shù)值模型。利用ANSYS 軟件中Mesh 模塊進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件的確定，導(dǎo)入Fluent 模塊進(jìn)行計(jì)算。電機(jī)數(shù)值模型，如圖1 所示。大致可分為由擋板組成的流道部分和定子鐵芯、繞組、轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)軸、內(nèi)冷卻扇和外冷卻扇部分組成的電機(jī)主要構(gòu)件部分。由擋板構(gòu)成的內(nèi)部流道部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀不對稱，占電機(jī)模型比例最大。電機(jī)的主要構(gòu)件部分為繞轉(zhuǎn)軸中心線的軸對稱結(jié)構(gòu)，集中分布在電機(jī)下部。

左側(cè)為電機(jī)原冷卻系統(tǒng)所使用蝸殼式直葉片內(nèi)冷卻扇，扇輪由輪盤、輪蓋和12 個葉片組成，冷卻扇隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，會在輪盤中心造成負(fù)壓，致使外部的相對的高壓冷卻空氣從擋板空氣吸入口流入，經(jīng)冷卻扇加速后送至轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽入口，如圖2 所示。右側(cè)為優(yōu)化改型后的軸流式內(nèi)冷卻扇，扇輪由輪轂和另外9 個同翼型葉片組成，安裝于軸兩端隨軸轉(zhuǎn)動。冷卻空氣從系統(tǒng)吸入口流入，經(jīng)冷卻扇加速后直接送入轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽進(jìn)口。轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)軸和內(nèi)冷卻扇轉(zhuǎn)速為1487r/min，空氣溫度設(shè)定為20°C，大氣壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101325Pa。定子鐵芯與轉(zhuǎn)子鐵芯均分為13 段，每段軸向長度為52mm，徑向通風(fēng)槽26 個，通風(fēng)槽軸向長度6mm。通過對感應(yīng)電機(jī)電磁計(jì)算及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到電機(jī)主要部件耗損分布，如表1 所示。

圖2 內(nèi)冷卻扇結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Internal Cooling Fan Structure Diagram

表1 感應(yīng)發(fā)電機(jī)損耗分布Tab.1 Loss Distribution of Generator（kW）

對感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行建模并對模型進(jìn)行以下處理：（1）忽略對溫度場、內(nèi)部流場影響較小的細(xì)節(jié)；（2）轉(zhuǎn)軸、冷卻扇、流道部分損耗忽略不計(jì)，認(rèn)為空腔內(nèi)各點(diǎn)空氣溫度相同；（3）對鐵芯，轉(zhuǎn)子等軸對稱部件進(jìn)行等截面化處理；（4）延長出、入口邊界使計(jì)算穩(wěn)定；（5）認(rèn)為電機(jī)冷卻系統(tǒng)的空氣流場處于穩(wěn)定工況下；（6）電機(jī)處于額定工況時，流場內(nèi)流體馬赫數(shù)（Ma）較低，流體是不可壓縮空氣。系統(tǒng)內(nèi)雷諾數(shù)（Re）大于2300，使用湍流模型進(jìn)行求解；

3 發(fā)電機(jī)數(shù)值模擬

3.1 電機(jī)主要發(fā)熱部件溫度場分析

圖3 電機(jī)發(fā)熱部件溫度分布圖Fig.3 Temperature Diagram of Motor Heating Components

定子鐵芯、銅線繞組及轉(zhuǎn)子鐵芯三個電機(jī)主要發(fā)熱部件的表壁溫度分布圖，如圖3 所示。發(fā)電機(jī)發(fā)熱部件的主要溫度參數(shù)對比，如表2 所示。（1）定子鐵芯上溫降最大位置位于鐵芯內(nèi)壁和通風(fēng)槽內(nèi)壁處，低溫降部分集中分布在與空腔連接的外壁上部。認(rèn)為是冷空氣受電機(jī)流道和外殼結(jié)構(gòu)的影響，上部通風(fēng)槽內(nèi)空氣進(jìn)入空腔后速度迅速降低，造成外壁上部熱量不能有效帶走。（2）繞組部件整體溫度分布平均且溫降較低，最大溫降位于繞組兩端。繞組部件溫度較高原因是，該繞組結(jié)構(gòu)難以與其他部件及擋板形成有效流道，致使冷空氣難以流經(jīng)繞組進(jìn)行換熱。（3）轉(zhuǎn)子整體溫降最大，其內(nèi)壁、通風(fēng)槽及外壁均得到較好冷卻。溫降最大值位于通風(fēng)槽出口，而部件兩端位置溫度較高，認(rèn)為是內(nèi)冷卻扇流出空氣只有少量流經(jīng)轉(zhuǎn)子兩端，且該區(qū)域沒有形成有效的流通流道，空氣流通紊亂至使得兩端溫降較低。

表2 電機(jī)發(fā)熱部件溫度對比Tab.2 Temperature Comparison Chart（K）

3.2 發(fā)電機(jī)速度場分析

圖4 原冷卻系統(tǒng)速度矢量圖Fig.4 Velocity Vector Diagram of Cooling System

沿z方向?qū)Χㄗ予F心通風(fēng)槽進(jìn)行1-11 號編號，如圖4 所示?？芍鋮s系統(tǒng)內(nèi)最高流速位于轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽出口處，速度達(dá)到73.2m/s，冷卻風(fēng)扇葉片流道出口處到達(dá)70.1m/s。繞組對蝸殼式直葉片冷卻扇出口處空氣有阻礙作用，造成空氣回流并使扇輪內(nèi)葉片中部空氣流動紊亂，形成的漩渦對扇葉內(nèi)空氣流動造成阻礙。圖中顯示轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽出口處受繞組阻礙，使得兩端通風(fēng)槽流速較高，中部通風(fēng)槽流速分布平均。根據(jù)溫度場及流場分布可知，系統(tǒng)內(nèi)冷卻空氣的流速直接影響各發(fā)熱部件表壁溫降從而影響系統(tǒng)冷卻效率。通過，對原冷卻系統(tǒng)主要發(fā)熱部件表壁溫度分布進(jìn)行分析，認(rèn)為冷卻系統(tǒng)能滿足設(shè)計(jì)要求，但存在以下問題：（1）受流道擋板結(jié)構(gòu)和繞組部件影響，定子鐵芯兩端冷卻空氣沒經(jīng)過鐵芯流道，直接從兩端流出使得通風(fēng)槽出口風(fēng)速較低，鐵芯表壁處空氣流動緩慢；（2）蝸殼式冷卻扇與轉(zhuǎn)子鐵芯之間的空隙造成流速降低，影響轉(zhuǎn)子鐵芯兩邊端部表壁的換熱表現(xiàn)；（3）蝸殼式冷卻扇出口受繞阻阻擋，空氣回流扇葉間形成漩渦造成扇葉效率降低；（4）轉(zhuǎn)子鐵芯流道速度分布不均勻，兩端流道流速明顯大于中間流道流速。

針對以上問題，在基于提高冷卻系統(tǒng)效率、優(yōu)化流場分布和增大冷卻空氣流量的優(yōu)化概念上，提出軸流式冷卻扇改型方案。

4 冷卻系統(tǒng)分析

4.1 發(fā)電機(jī)冷卻因素分析

大型空冷發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)要考慮以下特點(diǎn)：（1）發(fā)電機(jī)各部分風(fēng)量分布要合理。在相同的冷卻風(fēng)量下，發(fā)電機(jī)軸向溫升（兩端通風(fēng)時）在中部最高；（2）合理布置風(fēng)路，盡可能合理分配風(fēng)阻；轉(zhuǎn)子及定子有良好的冷卻。因此，提高大型空冷發(fā)電機(jī)冷卻系統(tǒng)冷卻能力主要從以下三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)：

①降低冷卻風(fēng)扇動力損耗；②降低風(fēng)摩擦損耗；③提高風(fēng)扇效率三方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。對此，以目標(biāo)函數(shù)A來衡量優(yōu)化前和優(yōu)化后的內(nèi)冷卻風(fēng)扇冷卻效果，V、T、Q正相關(guān)于內(nèi)冷卻扇冷卻能力。

式中：V1—1 和11 號通風(fēng)槽平均風(fēng)速；V2—5 號通風(fēng)槽風(fēng)速；V3—通風(fēng)槽平均風(fēng)速；T1—1 和11 號通風(fēng)槽的平均溫降；T2—5號通風(fēng)槽溫降；T3—通風(fēng)槽平均溫降；Q—冷卻系統(tǒng)通量；

4.2 定子、轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽速度、溫度對比

定子鐵芯及轉(zhuǎn)子鐵芯通風(fēng)槽最高速度以及最高溫降對比，是對冷卻風(fēng)扇優(yōu)化方案評價的重要參考。定子和轉(zhuǎn)子鐵芯通風(fēng)槽最高速度和最高溫降對比，如圖5、圖6 所示。

圖6 轉(zhuǎn)子鐵心通風(fēng)槽最數(shù)據(jù)對比Fig.6 Date Comparison of Rotor Core Ventilation

其采用兩種內(nèi)冷卻系統(tǒng)的定子及轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽的流速與溫降數(shù)據(jù)，如表3 所示。對比分析可知定子和轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽內(nèi)流體流動規(guī)律及溫度分布規(guī)律：（1）原蝸殼式系統(tǒng)定子兩端的通風(fēng)槽（約第5號和8）處流速最高，通風(fēng)槽中部（約第6 號）處溫降最大，優(yōu)化后定子通風(fēng)槽內(nèi)最高流速和最大溫降均在中部（第5 號）。定子鐵芯通風(fēng)槽內(nèi)流速普遍較低，原因在于繞組與定子的通風(fēng)槽結(jié)構(gòu)不能形成暢通流道。（2）轉(zhuǎn)子兩端的通風(fēng)槽（約第2 和第10 號）處流速最高，通風(fēng)槽溫降（約第6 號）處最大。轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽兩端流速最大而溫降較低原因在于通風(fēng)槽出口受轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)以及繞組阻擋影響，空氣在轉(zhuǎn)子兩端形成大量漩渦，致使該部位不能及時換熱；（3）軸流式優(yōu)化冷卻系統(tǒng)中的定子通風(fēng)槽通風(fēng)量及通風(fēng)槽內(nèi)溫降都有所增加。優(yōu)化冷卻系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽通風(fēng)量及通風(fēng)槽內(nèi)溫降都有所增加。

表3 兩種冷卻系統(tǒng)下的速度與溫度對比Tab.3 Comparison of Speed and Temperature in Two Cooling Systems

4.3 冷卻扇流場分析對比

冷卻系統(tǒng)主要數(shù)據(jù)對比，如表4 所示。冷卻扇速度場云圖，如圖7 所示。通過對比原型與優(yōu)化后的冷卻扇對比可知：（1）蝸殼式內(nèi)冷卻扇的葉輪出口受繞組阻擋，回流空氣使葉片間產(chǎn)生不均勻且高速旋轉(zhuǎn)漩渦。受漩渦影響造成葉輪內(nèi)流道不通暢，冷卻扇工作效率下降；（2）優(yōu)化冷卻扇改變?nèi)~輪出口位置，軸流式葉輪使得冷空氣從擋板進(jìn)氣口進(jìn)入后直接輸送至轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽進(jìn)口，受繞組影響較少，轉(zhuǎn)子鐵芯兩端冷空氣流速提升。冷卻扇內(nèi)葉片間流體分布均勻，流道通暢并無高速漩渦產(chǎn)生；（3）從擋板進(jìn)氣口至轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽進(jìn)口段，冷卻扇優(yōu)化后平均流速有明顯提升，流場內(nèi)空氣分布均勻，冷卻扇消耗功率下降，同時對流體做功效率有較大提升。由于采用軸流式優(yōu)化冷卻系統(tǒng)后，V1、V2、V3、T1、T2、T3和Q均有明顯的增加。根據(jù)影響發(fā)電機(jī)冷卻因素及優(yōu)化方法，在通風(fēng)槽橫結(jié)構(gòu)保持不變的情況下，通風(fēng)槽兩端、中間及平均風(fēng)速均有明顯提高，提高了槽內(nèi)換熱效率，溫降提升明顯，增強(qiáng)了系統(tǒng)的冷卻效果。

表4 冷卻系統(tǒng)主要參數(shù)對比Tab.4 Comparison of Cooling System Main Parameters（K）

圖7 冷卻扇速度分布云圖Fig.7 Velocity Distribution Cloud Chart of Cooling Fan

5 結(jié)論

通過對某6.3MW 大型交流電機(jī)的蝸殼式與優(yōu)化軸流式冷卻扇的冷卻系統(tǒng)的流場、溫度場對比分析可知：（1）優(yōu)化后軸流式冷卻系統(tǒng)的轉(zhuǎn)、定子通風(fēng)槽內(nèi)冷卻空氣通量明顯增大且分布更平穩(wěn)、均勻，加快通風(fēng)槽內(nèi)冷熱交換，轉(zhuǎn)子鐵芯以及定子鐵芯冷卻效率提升；（2）軸流式內(nèi)冷卻扇能有效解決原冷卻系統(tǒng)的繞組、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中的扇輪出口空氣回流問題，減少冷卻扇葉片間受漩渦影響的紊亂流通狀況，減少冷卻扇消耗功率同時提高冷卻系統(tǒng)效率；（3）軸流式冷卻扇使冷空氣從擋板進(jìn)氣口進(jìn)入后直接輸送至轉(zhuǎn)子通風(fēng)槽進(jìn)口，解決轉(zhuǎn)子鐵芯兩端位置因流速較低而不能得到有效換熱的問題。