三相異步風(fēng)力發(fā)電機通風(fēng)散熱分析

曹 飛， 鄭國麗， 周黎民， 黃鵬程

(南車株洲電機有限公司，湖南 株洲 412001)

0 引 言

隨著電機向高效率小型化發(fā)展，電機的發(fā)熱問題成為單機容量增長的主要障礙，是電機設(shè)計需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。一種良好的電機通風(fēng)冷卻系統(tǒng)應(yīng)能產(chǎn)生足夠的冷卻風(fēng)量、均勻的冷卻效果和最小的通風(fēng)損耗，而且要求結(jié)構(gòu)簡易、安全可靠、維護工作量小、檢修方便等[1- 4]。電機實際運行時，繞組溫升高可能由多種因素引起，包括冷卻設(shè)計不合理使電機的熱量不能散出；制造工藝不合格，導(dǎo)致電機熱阻增加；運行條件惡劣，電機散熱效果差等因素。即使同種型號的電機批量生產(chǎn)，每個個體的冷卻性能也有所差異，導(dǎo)致不同電機的溫升試驗結(jié)果有些偏高有些偏低。因此，除了風(fēng)路結(jié)構(gòu)要求設(shè)計合理以外，需要分析可能導(dǎo)致電機溫升高的因素，在電機制造和運行時避免這些不利因素的產(chǎn)生。本文以三相異步風(fēng)力發(fā)電機為例，對電機整機的三維溫度場進行了數(shù)值模擬，對電機內(nèi)部流場和溫度場進行分析，并將計算結(jié)果與試驗值進行比對。介紹了電機風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計時，機座散熱筋的高度、間距確定的原則與方法以及離心風(fēng)扇的設(shè)計要點。針對電機通風(fēng)系統(tǒng)和冷卻方式的特點，分析了可能導(dǎo)致電機溫升高的影響因素。本文所采用的仿真計算方法可作為一種有效的電機溫升計算方法，可根據(jù)計算得到的電機各部件溫升以及溫度分布進行驗證和結(jié)構(gòu)改進。本文涉及的散熱筋和外風(fēng)扇的設(shè)計方法以及引起電機溫升高的影響因素的分析對電機風(fēng)路結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的理論參考價值。

1 電機通風(fēng)系統(tǒng)

三相異步風(fēng)力發(fā)電機的冷卻方式為IC411，通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。電機的外風(fēng)路由電機風(fēng)罩、外風(fēng)扇和散熱筋組成。空氣從風(fēng)罩處吸入，經(jīng)過風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)增壓形成氣流，從風(fēng)罩出口流出，沿著散熱筋流動，逐步減速擴散，冷卻機座表面。電機內(nèi)部空氣在內(nèi)風(fēng)扇的作用下加速循環(huán)，使熱空氣更好的與機座和端蓋交換熱量。電機的熱量一部分通過定子鐵心傳遞給機座，一部分經(jīng)電機內(nèi)部空氣對流傳給機座，最終通過機座表面散出。

圖1 電機通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

電機通風(fēng)系統(tǒng)具有如下特點： (1) 電機中局部阻力占總阻力的絕大部分，沿程阻力相對甚小。且電機中雷諾數(shù)的數(shù)值很大，整個系統(tǒng)處于高紊流狀態(tài)，沿程阻力系數(shù)接近常數(shù)，在一定范圍內(nèi)與雷諾數(shù)無關(guān)。(2) 電機產(chǎn)生的壓頭(包括風(fēng)扇在內(nèi))與圓周速度的平方成正比。(3) 認為是不可壓縮流動，不計空氣密度的微小變化。(4) 忽略浮力的影響。(5) 由于是封閉循環(huán)系統(tǒng)，與外力無關(guān)，邊界條件自動建立。

2 計算域處理與求解條件

2.1 計算域處理

根據(jù)電機的結(jié)構(gòu)特點，若進行電機的三維溫度場數(shù)值分析，需對電機整機進行三維建模，電機大致分成如下區(qū)域： 定子、轉(zhuǎn)子、內(nèi)風(fēng)扇、機座、端蓋和外風(fēng)扇。定子端部線圈為空間曲線建模，端部絕緣厚度薄不易建模，數(shù)值計算時需考慮端部絕緣導(dǎo)熱的影響，將定子端部線圈壁面設(shè)置成耦合壁面，給定絕緣厚度，設(shè)置成絕緣材料。散熱筋對電機的冷卻影響較大，端蓋和機座的散熱筋不能忽略和簡化。

電機機座上散熱筋的對流換熱系數(shù)難以給定，故建立計算域時，需要在電機外部建立一個流體域。為使計算更接近實際，外部流體域要足夠大，外包流體域的范圍按如下方式選取： 假設(shè)電機軸向總長為λ，入口面距離電機外風(fēng)扇入口處為λ，設(shè)置為壓力入口；出口面距離電機軸伸端面為2λ，設(shè)置為壓力出口；流體域側(cè)面和頂面距離電機機座為λ，設(shè)置為壓力邊界，壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；底面與電機底座平齊。計算域以Z軸作為旋轉(zhuǎn)軸，如圖2所示。

圖2 計算域選取

2.2 求解條件

在多重參考坐標(biāo)系下，建立流動與傳熱穩(wěn)態(tài)控制方程，包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程。湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型[5]。求解條件包括： (1) 設(shè)置電機各部件的材料屬性，包括密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。(2) 環(huán)境溫度為40℃，入出口壓力均為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。電機轉(zhuǎn)速為1518r/min。(3) 假設(shè)電機各發(fā)熱部件熱源均布，根據(jù)損耗計算熱源強度。

3 結(jié)果分析與試驗驗證

通過數(shù)值計算得出： (1) 內(nèi)風(fēng)路循環(huán)風(fēng)量0.49m3/s，外風(fēng)路風(fēng)扇入口風(fēng)量1.60m3/s，電機機械損耗為4.18kW。(2) 定子繞組平均溫升91K，最高溫升100K，電機絕緣等級為H級絕緣，溫升限值按照電阻法<125K，埋置檢溫計法<135K。電機繞組溫升低于溫度允許限值，符合設(shè)計要求。(3) 機座散熱筋表面考慮0.5mm厚絕緣漆導(dǎo)熱相比忽略絕緣漆導(dǎo)熱的情況，定子繞組平均溫升升高6K。可見機座表面散熱情況對整個電機的溫升有重要的影響。

機座表面溫度分布如圖3所示。

圖3 機座溫度分布圖

為了驗證仿真分析方法的準(zhǔn)確性，將仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析。軸承溫升和定子繞組溫升的計算值與實測值的對比數(shù)據(jù)如表1所示。通過計算值與實測值的對比，計算誤差均<15%，在工程允許范圍內(nèi)，證明計算方法可行。可見采用數(shù)值方法計算電機溫升不僅可以為產(chǎn)品設(shè)計提供理論依據(jù)，同時也可應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計的后期驗證。

表1 計算值與試驗值對比

4 機座散熱筋與外風(fēng)扇的設(shè)計依據(jù)

4.1 機座散熱筋的高度、間距確定的原則與方法

機座散熱筋的高度和數(shù)量直接影響電機的散熱。散熱筋片數(shù)多，散熱面積大，但通風(fēng)道變窄。散熱筋片數(shù)少通風(fēng)道變寬、可散熱面積又會變少。因而散熱筋的設(shè)計要綜合考慮鑄造工藝和散熱效果等因素。散熱筋的基準(zhǔn)片高度約為機座內(nèi)徑的0.065～0.090倍，最高片與基準(zhǔn)片之比為1.3～1.7。片間距為基準(zhǔn)片高度的0.65～0.80倍，邊緣片的間距適當(dāng)增加1.0～5.0mm[6]。

4.2 外風(fēng)扇的設(shè)計依據(jù)

外風(fēng)扇的形狀和尺寸對電機的通風(fēng)有較大影響。采用適當(dāng)?shù)娜~片形狀、葉片尺寸和葉片的片數(shù)可增加風(fēng)量，但要注意外風(fēng)罩與風(fēng)扇的徑向間隙如果太小或外風(fēng)罩的進風(fēng)口直徑過大會引起漏風(fēng)及旋渦，增大風(fēng)壓損耗影響電機通風(fēng)。

離心式風(fēng)扇的計算主要是確定其內(nèi)外徑D1和D2、葉片的寬度b和傾角β[7]。離心風(fēng)扇的設(shè)計可按照徑向風(fēng)扇設(shè)計，在尺寸初步確定以后，通過進一步調(diào)整風(fēng)扇內(nèi)外徑以及風(fēng)扇傾角改變風(fēng)扇的流量和機械損耗。對于徑向風(fēng)扇的設(shè)計有如下幾個計算要點：

(1) 確定電機所需風(fēng)量qv。根據(jù)能量守恒關(guān)系，計算電機所需冷卻介質(zhì)總的體積流量。

式中： ∑Ph——由冷卻介質(zhì)帶走的損耗；

Ca——冷卻介質(zhì)的比熱容；

Δτa——冷卻介質(zhì)通過電機后的溫升。

(2) 確定線速度u2，表達式為

式中：n——風(fēng)扇轉(zhuǎn)速；

D2——風(fēng)扇葉輪外徑。

5 引起電機繞組溫升高的影響因素

電機的溫升與電機的通風(fēng)結(jié)構(gòu)及有效材料的電磁負載密切相關(guān)。電機的損耗幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量傳遞給周圍的冷卻介質(zhì)，當(dāng)電機發(fā)出的熱量與散出的熱量平衡時，溫升達到穩(wěn)定。冷卻方式為IC411的電機繞組溫升不合格，分析其原因主要有如下方面：

(1) 設(shè)計不合理。① 磁路計算不合理： 電機效率低、總損耗大，空載電流增加，功率因數(shù)下降會引起電機溫升升高。② 通風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理： 機座表面散熱面積小以及外風(fēng)扇的冷卻風(fēng)量不夠會導(dǎo)致電機散熱量小，繞組溫升提高。

(2) 制造工藝引起的熱阻增加。① 定子鐵心與機座的配合。鐵心與繞組的熱量絕大部分是通過鐵心與機座的接觸面，由機座表面散掉，鐵心外圓與機座一般采用較小盈量的過盈配合。由于機械加工和電機沖片，鐵心壓裝的精度較低使鐵心外圓與機座的配合間隙過大或表面粗糙度較大會影響散熱使電機溫升升高。② 電機繞組絕緣處理質(zhì)量差。繞組銅線間、絕緣材料間以及它們與鐵心之間的空隙、毛細孔、沒有被導(dǎo)熱性能較好的漆充分填充會使電機繞組的導(dǎo)熱能力下降，因為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)遠小于絕緣漆的導(dǎo)熱系數(shù)。③ 風(fēng) 扇損壞或緊固不牢、風(fēng)扇葉片安裝方向裝反會導(dǎo)致冷卻風(fēng)量不足，從而使電機溫升升高。

(3) 工作環(huán)境惡劣。① 電機內(nèi)外積垢太多將嚴(yán)重影響電機散熱。② 通風(fēng)道堵塞，使通風(fēng)不暢。③ 環(huán)境溫度過高，超過40℃，因為繞組銅損隨氣溫上升而增加，所以氣溫變化對封閉電機影響也較大。

6 結(jié) 語

如通過對三相異步風(fēng)力發(fā)電機通風(fēng)散熱分析得出如下幾點結(jié)論：

(1) 冷卻方式為IC411，靠機座表面散熱的電機，由于散熱筋表面的對流換熱系數(shù)很難給定，因此進行數(shù)值計算時，計算域應(yīng)包括電機周圍的流體域，并且流體域范圍足夠大。

(2) 根據(jù)數(shù)值仿真計算可得出電機內(nèi)外風(fēng)路的循環(huán)風(fēng)量、電機的機械損耗、電機定子繞組溫升，將計算結(jié)果與試驗值進行對比，誤差在工程允許范圍內(nèi)，符合設(shè)計要求。

(3) 機座散熱筋的設(shè)計要綜合考慮鑄造工藝和散熱效果等因素，設(shè)計時應(yīng)按照一定的設(shè)計原則，使散熱筋的高度和數(shù)量取最佳值。外風(fēng)扇設(shè)計的目標(biāo)是產(chǎn)生足夠的冷卻風(fēng)量和最小的機械損耗。

(4) 分析電機溫升高可能引起的因素主要是設(shè)計不合理、制造工藝引起的熱阻增加及工作環(huán)境惡劣。

【參 考 文 獻】

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[5] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安： 西安交通大學(xué)出版社，2001.

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