基于CFD的YB3電機的外流場研究

李建成，朱常興，王富春，李薇

(1佳木斯電機股份有限公司北京研發中心，北京100070；2國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯154002)

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基于CFD的YB3電機的外流場研究

李建成1,2，朱常興1,2，王富春1,2，李薇1,2

(1佳木斯電機股份有限公司北京研發中心，北京100070；2國家防爆電機工程技術研究中心，黑龍江佳木斯154002)

針對正在開發的YB3隔爆型三相異步電動機外風路的流場機理進行了研究，采用基于CFD理論的流體仿真分析方法，對YB3電機的典型規格450 6P電機外風路進行了流場仿真分析，突破了復雜結構建模、網格劃分等的技術，解決了介質假設、邊界條件設置等問題，通過CFX軟件的分析、數據處理，揭示了YB3電機外風路的流場機理，并通過對比分析印證該方法的正確性。為YB3電機的研發以及其他高效電機的研發提供了技術保障。

YB3電機；外流場；CFD

0 引言

一臺電機能否安全有效的運行，其中通風冷卻至關重要，它關系到電機的效率、運行時間、穩定性等諸多方面。隨著電機行業的不斷發展，更大容量、更高電磁負荷和熱負荷的電機會不斷涌現，加之能效標準的不斷提高，將對電機的通風冷卻系統設計提出更高的要求，迫切需要對電機風路進行系統地分析和優化設計。傳統的電機通風冷卻分析方法是采用簡化公式法[1,2]和熱路法[3～5]。由于這兩種方法移植性差且誤差較大，基本上對實際的電機設計指導意義不大。對于電機通風冷卻分析的另一種有效方法是計算流體力學(簡稱CFD)。近年來，隨著計算機技術的迅速發展和計算流體力學各種湍流模型的完善，數值方法的發展以及前后處理相關技術的進步，CFD數值模擬方法在對流體的初步性能預測、流動診斷等方面發揮越來越大的作用。

CFD技術也用于電機通風冷卻的分析中，其在電機流場、溫度場的分析中已經取得了一定成效。如印度學者M.S.Rajagopal等人對含有徑向通風溝的電機的流體場進行了計算分析[6]，美國學者R.E.Mayle等人采用理論與實驗相結合的方法對電機氣隙中流體的流動進行了研究[7]，韓國學者Lee Yangsoo等對感應電機的溫度場分布進行了分析計算[8]，意大利學者Cannistra G.等對感應電機起動時的鼠籠型轉子溫度場進行了分析計算[9]。丁樹業等對電機內流場進行了分析[10]，王洪杰、劉全忠等人對汽輪發電機軸流風扇進行了分析[11,12]，靳延船、周封、李偉力等對電機定子以及定子通風溝進行了溫度場分析[13～15]，路義萍等對轉子通風進行了研究[16]。

近年來，歐美工業發達國家對節約能源及環境保護非常關注。電動機在電氣傳動中帶動負載機械做功的同時也耗用大量的電能，因此提高電機的運行效率對節能意義重大。YB3系列隔爆型三相異步電動機即是在這樣的背景下起動開發的，我公司正在開發的是全封閉自扇冷式高效率三相異步電動機。該系列電機電磁設計、結構設計都在YB2電機的基礎上進行了改進，外風路的設計和分析也為其中非常重要的一環，本文即是針對YB3電機典型規格450 6P進行研究，采用CFD技術對電機外風路的流場進行分析，旨在研究外風路的流場機理，下面將針對分析過程、技術難點進行詳細的闡述。

1 YB3電機外風路建模與網格劃分

YB3電機外風路的工作原理是通過外風扇將風罩外側的空氣吸入風罩內，然后通過風扇旋轉產生的離心力將吸入的空氣徑向甩出，在風罩的約束作用下使具有一定壓力、速度的空氣改變方向，流向散熱片以及電機外表面，通過與電機表面的熱交換，將熱量帶走，從而實現對電機的冷卻作用。圖1給出了YB3電機的外形圖。

1.1 模型簡化

在進行CFD仿真分析之前，需要對電機外風路進行一定的模型簡化，主要考慮一些結構對外流場分析結果的影響不是很重要，同時也可以減輕計算的工作量。主要進行的簡化有：機座部分，將接線盒封閉、去除LOGO、端蓋安裝凸臺、機座上結構圓角等；地腳部分，將部分筋板變成平面；端罩部分，在保證相同通風面積的情況下，減少了通風窗數目。簡化后的模型如圖2所示。

1.2 逆向建模

在進行電機外流場分析時，是針對空氣流經的區域進行分析，因而需要對空氣域進行建模，如圖3所示。

而空氣域是在電機零部件的表面與分析域邊界之間形成的。我們借助Solidworks軟件的逆向建模方法來實現對空氣域的建模。這里僅對相對比較復雜風扇空氣域、出口空氣域進行詳細的闡述。

(1)風扇空氣域

風扇空氣域是風罩和風扇實體之間形成的空氣域，如圖4所示，在逆向建模時需要將風扇空氣域分成三部分：(1)風扇扇葉包圍的空氣域為旋轉空氣部分；(2)風扇外圍和風罩之間形成的空氣域為靜止空氣部分；(3)風扇背側部分也為靜止空氣部分。在采用CFD應用軟件CFX分析時，在對模型設置時旋轉空氣部分給定旋轉速度，作為旋轉域進行處理。

(2)出口空氣域

我們將風扇后端開始一直到軸伸端作為出口空氣域，出口空氣域為一個直徑為1500mm、長度為2600mm的圓柱體空氣區域，如圖5所示。從圖中可以看出，出口空氣域是由包圍空氣與機座外表面共同形成的，這里需要注意一點，由于分析的需要，保留了部分端罩。在CFX軟件中對其采用不可滑移的固壁邊界進行處理。

1.3 網格劃分

我們對整個流體域進行了網格劃分，劃分結果如圖6所示。整個流體域網格單元的數量約為1000萬個，其中入口空氣域、風扇空氣域由于結構相對簡單，所以網格劃分相對容易；而出口空氣域中的機座結構比較復雜，網格劃分難度較大，網格數量也很龐大。在網格劃分的處理上，根據不同的流體區域進行了不同的網格劃分尺度，在結構均勻規則的區域采用大尺度的網格劃分，而對于結構復雜、不規則區域提高網格劃分密度來確保結構模型得到真實的呈現。

2 外風路流場分析

對外流場分析首先需要對流體介質進行假設，然后設置邊界條件，進而進行仿真計算，最后對計算結果進行整理和分析。

2.1 流體介質假設

根據流體介質的特性和對外風路流場的分析，對流體介質作如下假設。

(1)因為電機外風扇內空氣的雷諾數相對很大，流體的流動特性屬于湍流，應采用湍流計算模型對電機外部流體場進行計算；

(2)機座表面的空氣流速小，遠小于聲速，即馬赫數較小，故把流體視為不可壓縮的粘性流體處理；

(3)在對流體研究的過程中，只研究流體的穩態流動，也就是定常流動，故在求解方程中不包含有時間項；忽略流動空氣的重力及浮力對流體流動的影響。

2.2 邊界條件設置

根據YB3電機工作環境分析，邊界條件設置如圖7所示，具體設置條件如下。

(1)在一個標準大氣壓下，流體域模型的入口、出口均設置為壓力邊界，壓力值為0Pa；

(2)外風扇及其附近處的旋轉空氣域轉速與電機額定運行時轉速相同，為1000rpm；

(3)電機固壁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為開放邊界條件；

(5)入口部分、風扇部分和出口機座部分之間，以及風扇部分內旋轉與靜止空氣域之間的交界面，采用交界面邊界條件。

2.3 流場計算結果

設置好初始邊界條件后，可以采用CFD的應用軟件CFX對YB3外流場進行仿真分析，通過數據后處理，可以得到YB3外流場的速度、壓力以及流線等信息。

(1)入口空氣域

圖8給出了入口空氣域軸向截面的壓力、速度云圖。

從圖上可以看出，入口空氣域在接近入口和外側開放邊界處的壓力幾乎為一個標準大氣壓，而在風扇端罩窗附近產生了較大的負壓值，約-55Pa；同樣，速度場的分布也是在遠離風扇端罩窗的速度值較小，而接近窗孔處的速度值較大，約12m/s。這是因為在風扇旋轉運動的作用下，在入口產生負壓將空氣吸入，同時也是對空氣進行加速導致的結果。

(2)風扇空氣域

圖9給出了風扇空氣域軸向截面的壓力、速度云圖。

從圖上可以看出，在風扇空氣域內由于風扇的旋轉運動將空氣加速向外甩出，但由于有端罩壁面的約束作用，所以內部壓力逐漸上升，風扇中間區域具有較大的負壓值，約為-300Pa；壁面附近處壓力值較大，約為380Pa；空氣在端罩出口處壓力值約為200Pa；在風扇四周和端罩出口處流速較大，平均速度值約為24m/s。圖10給出了風扇徑向界面的流速矢量圖。從圖上可以看出，端罩內空氣的旋轉運動具有明顯的方向性，在扇葉外徑端面附近的速度值最大，約為34.67m/s，這與轉速1000r/min，扇葉外徑尺寸330mm所計算的理論速度值34.54m/s非常接近。

(3)出口空氣域

圖11給出了出口空氣域軸向截面的壓力、速度云圖。

從圖上可以看出，從風扇端罩出口進入的空氣壓力約200Pa，速度約24m/s；受到機座結構阻礙和空氣擴散作用，空氣流經機座外側后，壓力和速度均有所降低，分別為10Pa、14m/s左右。

(4)整體空氣域

圖12給出了整體空氣域的軸向截面壓力、速度云圖。圖13給出了整體空氣域的流線圖。

圖12、圖13比較直觀的反映了外流場的空氣運動機理。從圖上可以看出由于風扇的旋轉作用，將風罩外的自然空氣吸入風罩，通過離心力對其加速、加壓，獲得了流速約為24m/s、壓力約為200Pa、流量約為5.11kg/s的冷卻空氣，通過風罩的結構限制，冷卻空氣大部分從電機機座表面和散熱筋間流過，在出口處的速度、壓力都有所降低，約為14m/s和10Pa左右。在尾端，因為局部負壓以及空氣的擴散作用，部分空氣流出現匯聚效應。

2.4 仿真結果對比分析

為了驗證YB3電機外風路流場仿真分析結果，我們與安世亞太(ANSYS中國技術代理公司)公司提供的電機流場分析結果進行了對比，如圖14所示。

從圖上不難看出兩者流線分析結果基本相同，從而證明我們的仿真分析方式是正確的。

3 結語

本文基于CFD方法，采用CFX軟件對YB3電機的外風路進行了流場分析，通過分析可以得出如下結論。

(1)建立了基于CFD的YB3外流場仿真分析方法，突破了復雜模型的建模和網格劃分技術，解決了邊界條件設置等技術難題，并通過與安世亞太公司提供的數據進行對比，印證了該方法的正確性，能夠真實反映電機外流場流動機理；

(2)通過仿真計算可知，風扇將處于自然環境的空氣吸入風罩并通過離心力對其加速、加壓，獲得了流速約為24m/s、壓力約為200Pa、流量約為5.11kg/s的冷卻空氣，冷卻空氣大部分流經電機機座表面，最后速度、壓力都有所降低，約為14m/s和10Pa左右。

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Research on External Flow Field of YB3 Series Motors Based on CFD

LiJiancheng,ZhuChangxing,WangFuchun,andLiWei

(1.Beijing Research and Development Center, Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Beijing 100070, China；2.National Engineering Technology Research Center of Explosion-Proof Electric Machine, Jiamusi 154002, China)

As for the YB3 series flameproof three-phase induction motors under development, flow field mechanism of external wind path is researched. Simulation analysis on flow field of external wind path of typical product (6-pole YB3 motor with frame size 450) is carried out based on CFD theory by fluid simulation analysis method. This method has made a breakthrough in technologies of complex structure modeling and grid partition and has solved problems of assuming medium and setting boundary condition. This paper reveals flow field mechanism of external wind path of YB3 series motors by CFX software analysis and data processing and confirms correctness of the method by contrastive analysis. It provides a technical support for research and development of YB3 series motors and other high-efficiency motors.

YB3 series motors；external flow field；CFD

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.05.09

TM301.4+1

B

1008-7281(2016)05-0029-006

李建成 男 1987年生；畢業于天津大學流體力學專業，現從事電機結構設計、流場分析等工作.

2015-10-21