高壓電動機冷卻通風系統數值計算

李光耀， 王鴻鵠， 顧德軍

(上海電機系統節能工程技術研究中心，上海 200063)

0 引 言

通風冷卻系統對高壓電動機的散熱有著決定性的作用。高壓電動機的通風冷卻系統種類很多，風路中的結構件數目大，計算較復雜。目前，高壓電動機的風路參數計算一般通過局部有限元。本文以一臺Y 500-4-1 120 kW-10 kV高壓電動機為例，通過流體場有限元方法，對此類軸對稱通風結構進行整體建模，對電動機內部風路進行了完整的計算，得到了電動機額定運行時，定、轉子風路各部分的通風情況。

1 電機結構及數學模型

Y 500-4-1 120 kW-10 kV高壓電動機的通風系統為軸向對稱式，通風示意圖如圖1所示。

圖1 通風示意圖

電動機通過轉子內風扇、轉子軸上的筋、轉子軸向鐵心段間的轉子通風槽片和轉子通風槽管作為冷卻空氣動力源來進行電動機內部風路循環。風從通氣窗進入轉子風扇，一部分通過轉子風葉進入定子繞組，冷卻端部繞組經機座支撐筋和定子壓圈間的空隙流到出風口；另一部分通過轉子軸、轉子鐵心間和筋之間的軸向通風槽進入轉子鐵心，并通過轉子通風槽片、轉子通風槽管和筋旋轉所產生的離心力將軸向通風槽中的冷卻空氣打入到定子徑向通風溝中，將冷卻風打入定子徑向通風孔中，完成對電動機定轉子鐵心和其中繞組的冷卻，最后通過機座上的出風口將冷卻氣體排出電動機外。

根據Y 500-4-1 120 kW-10 kV高壓電動機結構尺寸參數，建立了計算流體場的電動機模型，軸向剖面圖如圖2所示。

圖2 電機模型軸向剖面圖

為了準確計算定轉子徑向通風道中的流體運動，對定轉子鐵心徑向通風道中的風路原件進行了精細建模。定轉子鐵心徑向剖面圖、轉子風扇分別如圖3、圖4所示。

圖3 定轉子鐵心徑向剖面圖

圖4 轉子風扇

轉子風扇由內外風扇板和風葉組成，Y 500-4-1 120 kW-10 kV高壓電動機的風葉為垂直放置的平面風扇。風葉的安裝位置如圖5所示，單片扇葉形狀如圖6所示。

圖5 風葉的安裝位置 圖6 單片扇葉形狀

電動機定子鐵心為架空結構，所以在計算中不考慮機座對電動機通風的影響。電動機通風在軸向上基本對稱，為簡化計算，取電動機整體的1/2進行計算；在計算中不考慮機座對電動機鐵心內部和繞組端部的通風影響，簡化后的電動機模型如圖7所示。電動機模型中的非固體區域(即間隙)為流體場的求解對象，與電動機模型相對應的流體求解區域如圖8所示。

圖7 簡化后模型 圖8 流體模型區域

與電動機模型相應流體區域模型中不包含任何固體，結構復雜。流體區域軸向剖面圖如圖9所示。

圖9 流體區域軸向剖面圖

為保證計算精度，對流體區域的氣隙、進口和出口進行了剖分網格加密。計算網格剖分如圖10所示。

圖10 計算網格剖分 圖11 邊界條件

在流體場計算中，氣體入口為電動機轉子端部，模型中流體矢量指向流體內部，出口為定子徑向通風孔外圓，流體矢量指向流體外部。邊界條件如圖11所示。

假設外界為1個大氣壓且冷卻空氣不能壓縮，轉子轉速為156 rad/s，進口空氣湍流強度為5 %時，求解連續性方程和動量方程。

連續性方程為

動量方程為

2 計算結果

通過對建立的模型進行計算，得到電動機流體區域總體流線斜視圖，如圖12所示。從圖中可以看出，在定轉子端部冷卻空氣繞電動機軸向流動，且流速較高，特別是在轉子風扇區，流速可達40～60 m/s。定子端部繞組附近的空氣流速也比較高，數值約在30 m/s。

圖12 流體區域總體流線斜視圖

為得到軸附近軸向通風溝中的流體和鐵心徑向通風溝中的流體情況，作總體流線的側視圖如圖13所示，矢量圖如圖14所示。

圖13 總體流線側視圖

圖14 矢量圖

從圖中可以看出在軸向通風溝中，靠緊端部的部分流速較大，而在靠緊鐵心軸向中點處的鐵心徑向通風溝中的流速較小。而在徑向通風溝中，靠緊端部的部分流速較小，靠緊鐵心軸向中點處的軸向通風溝中的流速較小。

電動機通風系統風速矢量圖14中可以得到各點的通風流向。由于氣隙部分轉速相差較大，空氣流動較為復雜，為觀察氣隙各個部分的空氣流動特點，分別以端部側、軸向1/4處和軸向中部作為分析對象，氣隙流速矢量放大圖形如圖15所示。

(a) 端部側 (b) 軸向1/4處 (c) 軸向中部圖15 氣隙流速矢量圖

在端部側，氣隙與進風口很近，在轉子旋轉引發旋轉的空氣流動外，進氣口的進入的空氣增加了氣隙的軸向空氣流動，所以在此部分包含了較大的軸向空氣流動分量，如圖15(a)所示。軸向1/4處的空間位置距離進風口較遠，氣隙中所產生的空氣流速矢量中的軸向分量相對減少，如圖15(b)所示。軸向中部在軸向對稱軸附近，從電動機兩端進氣口進入的軸向流速矢量在此基本抵消，流速矢量主要演軸向旋轉，如圖15(c)所示。

為觀察電動機內部各部分的通風情況，沿電動機軸向作截面，得到軸向截面上的風壓和風速分布云圖，分別如圖16和圖17所示。

圖16 風壓云圖 圖17 風速云圖

從圖中可以看出風壓和風速最大值出現出現在在轉子風扇外圓附近。

在高壓電動機風路設計中，轉子風扇一定的情況下，軸向通風溝和徑向通風溝為電機主要的風路結構，其中的氣體參數對整個電動機的散熱起到至關重要的作用。現對一條通風溝橫截面行心、沿指向電動機端部的軸向路徑“Z”的路徑進行采點，得到電動機軸向路徑；從通風溝橫截面行心沿半徑方向指向定子外徑處的路徑“Y”進行采點，得到電動機徑向路徑。軸向路徑和徑向路徑如圖18所示。

圖18 軸向路徑和徑向路徑

風壓和風速的軸向分布曲線如圖19所示。

(a)風壓軸向分布 (b) 風速軸向分布圖19 風壓和風速的軸向分布

從風壓軸向分布曲線可以得到風壓最大值出現在轉子風扇附近，可達101 350 Pa，最小值出現在軸伸側約1/4處，最小值在100 450 Pa，在電機進風口處的風壓約為101 350 Pa，電機軸向中點處，即Z=0的位置，風壓約為101 175 Pa，整個軸向通風溝中最大壓力差可達900 Pa。在風速軸向分布曲線中可以看出，路徑上風速最大處在風壓最大的部分，可達30 m/s，而在模型軸向中部附近風速最小，其值在約2 m/s，進風口處的風速約為23 m/s，電機軸向中點處的風速約為5 m/s。

風壓和風速的徑向分布如圖20所示。

(a)風壓徑向分布 (b) 風速徑向分布圖20 風壓和風速的徑向分布

在風壓徑向分布曲線中可以看到，徑向通風溝中的風壓在氣隙附近達到極值，在定子側風壓最大，達到102 250 Pa，而轉子側最小，為約100 700 Pa，徑向起點處的風壓約為101 100 Pa，徑向終點處的風速約為101 400 Pa，最大壓力達到1 550 Pa。風速最大值出現在徑向風壓最大處附近，達到36 m/s，而曲線終點的風速最小，約為7 m/s，徑向起點出的風速約在12.5 m/s。

3 結 語

通過建立一臺Y 500-4-1 120 kW-10 kV高壓電動機的整體數學模型，得到了與電動機模型相對應的流體區域計算模型。經計算得到了電機內部風路的風壓和風速分布規律，在通風結構設計中應盡量避免在通風最差點出現過熱點，破壞電動機的內部絕緣。

【參考文獻】

[1] 劉夫乾，李志強，黃堅．一種超高效率電機新型風扇結構的考慮[J]．電機與控制應用，2010， 37(12)：18-20.