自冷式永磁電機冷卻風扇的設計

張景峰

（沈陽航天新光集團有限公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

永磁電機的顯著特點之一就是高效率，其冷卻結構是非常重要的一個部分。對于自冷式永磁電機來說，如果在其冷卻結構中所設計的風扇不合理，不但會影響電機溫升，還可能會額外增加電機的通風損耗，從而影響電機效率，所以為保證其合理溫升和效率，就應設計出與該電機配套的冷卻風扇。本文以一臺190kW永磁同步電機作為研究對象，將解析計算與流場仿真相結合，設計出合適的冷卻風扇。

2 冷卻風扇的尺寸設計

永磁電機冷卻風扇尺寸的設計主要包括確定內、外徑D1和D2，風扇葉片的寬度b，傾角β和葉片數N。本次風扇設計采用徑向式，所以傾角β為90°。

具體設計的解析過程如下：

表1 冷卻風扇外形尺寸

（1）首先根據190kW永磁同步電機的尺寸，初選出冷卻風扇的葉輪外徑D2。對于軸向通風的冷卻系統，D2應盡可能選取最大可能值，這是為了產生較高的風壓。

（2）對于風扇葉片寬度b的設計，本文將《Y2電機手冊》和《電機設計》這兩書中介紹的設計方法相結合。首先初選了風扇葉片的寬度b，根據《Y2電機手冊》中的公式（1）可以計算出最大風量Qm，其次利用了《電機設計》上的公式（2）反推出了風扇葉片的寬度b的值，并且將其與初選的b值進行比對校核，通過調節初選值使校核的差值達到最小。

式中：

K——考慮葉片的厚度所占的空間使進風的面積減少而引起的系數，一般為0.92；

n——額定轉速。

（3）冷卻風扇的內徑D1的設計同樣是結合了《Y2電機手冊》和《電機設計》的設計方法，根據《Y2電機手冊》中的公式（3）首先推算出冷卻風扇的空載靜壓h0，然后根據《電機設計》書中的公式（4）推算出風扇葉輪內徑的線速度。

式中，ρ為風扇運行時空氣密度，再根據公式（5）推算出冷卻風扇的內徑D1。

表2 風扇采用不同扇葉數時的風速對比

（4）最后根據經驗公式（6）確定出冷卻風扇的葉片數量。

根據上述的設計步驟，冷卻風扇的設計流程如圖1所示，最后的設計尺寸見表1。

3 電機的流場仿真

3.1 風扇建模

利用Solidworks軟件對所設計的冷卻風扇進行三維建模，如圖2所示。

然后將永磁電機冷卻風路建模成實體，將風扇模型與風路模型相配合，需要注意的是，為了避免入口和出口回流現象，需要將模型的入口和出口伸長一部分，如圖3和圖4 所示。

3.2 風扇流場仿真

將建立好的模型利用gambit軟件進行網格剖分，剖分時應將各實體部分進行分割再分別畫成六面體網格，進而導入CFD軟件來進行流場仿真。CFD即計算流體動力學（Computational Fluid Dynamics）是經過計算機的數值計算和圖形顯示，對所包含的流體流動和熱傳導等物理現象的系統所做的計算分析。本文所采用的是CFD中的Fluent軟件，計算前的初始條件應該為：

（1）冷卻風扇葉片轉速為1800rpm（即電機的額定轉速）。

（2）出入口設置為壓力出入口。

（3）不可壓流體。

（4）標準湍流模型。

仿真計算結果如圖5～圖9所示。

經計算流入風扇的平均風速為5.477m/s，流出風扇的平均風速為3.780m/s。

經計算散熱筋處空氣平均流速為16.305m/s。

上述為該尺寸條件下16扇葉的流場仿真計算結果，實際風扇運行時葉片表面會存在磨擦損耗和具有一定厚度，因此如果葉片數過多會造成過流面積過小，片間磨擦損耗過大，影響效率，所以本文又進行了9扇葉和12扇葉的流場仿真，模型如圖10所示，仿真結果見表2。

由表2可知，隨著扇葉數增加，反而造成了平均風速下降，這是不利于電機冷卻的，而且還會造成葉片間的摩擦損耗加大，從而影響到風扇效率，所以該電機模型應選取9扇葉為最終的設計方案。

結論

本文以一臺190kW自冷式永磁同步電機為例，將解析法和流場仿真相結合，闡述了風扇設計的具體流程，設計出了適用于該電機的徑向式風扇，且對比了不同扇葉數時風速的變化，最終確定了設計方案。

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