高压电动机冷却通风系统数值计算

李光耀， 王鸿鹄， 顾德军

(上海电机系统节能工程技术研究中心，上海 200063)

0 引 言

通风冷却系统对高压电动机的散热有着决定性的作用。高压电动机的通风冷却系统种类很多，风路中的结构件数目大，计算较复杂。目前，高压电动机的风路参数计算一般通过局部有限元。本文以一台Y 500-4-1 120 kW-10 kV高压电动机为例，通过流体场有限元方法，对此类轴对称通风结构进行整体建模，对电动机内部风路进行了完整的计算，得到了电动机额定运行时，定、转子风路各部分的通风情况。

1 电机结构及数学模型

Y 500-4-1 120 kW-10 kV高压电动机的通风系统为轴向对称式，通风示意图如图1所示。

图1 通风示意图

电动机通过转子内风扇、转子轴上的筋、转子轴向铁心段间的转子通风槽片和转子通风槽管作为冷却空气动力源来进行电动机内部风路循环。风从通气窗进入转子风扇，一部分通过转子风叶进入定子绕组，冷却端部绕组经机座支撑筋和定子压圈间的空隙流到出风口；另一部分通过转子轴、转子铁心间和筋之间的轴向通风槽进入转子铁心，并通过转子通风槽片、转子通风槽管和筋旋转所产生的离心力将轴向通风槽中的冷却空气打入到定子径向通风沟中，将冷却风打入定子径向通风孔中，完成对电动机定转子铁心和其中绕组的冷却，最后通过机座上的出风口将冷却气体排出电动机外。

根据Y 500-4-1 120 kW-10 kV高压电动机结构尺寸参数，建立了计算流体场的电动机模型，轴向剖面图如图2所示。

图2 电机模型轴向剖面图

为了准确计算定转子径向通风道中的流体运动，对定转子铁心径向通风道中的风路原件进行了精细建模。定转子铁心径向剖面图、转子风扇分别如图3、图4所示。

图3 定转子铁心径向剖面图

图4 转子风扇

转子风扇由内外风扇板和风叶组成，Y 500-4-1 120 kW-10 kV高压电动机的风叶为垂直放置的平面风扇。风叶的安装位置如图5所示，单片扇叶形状如图6所示。

图5 风叶的安装位置 图6 单片扇叶形状

电动机定子铁心为架空结构，所以在计算中不考虑机座对电动机通风的影响。电动机通风在轴向上基本对称，为简化计算，取电动机整体的1/2进行计算；在计算中不考虑机座对电动机铁心内部和绕组端部的通风影响，简化后的电动机模型如图7所示。电动机模型中的非固体区域(即间隙)为流体场的求解对象，与电动机模型相对应的流体求解区域如图8所示。

图7 简化后模型 图8 流体模型区域

与电动机模型相应流体区域模型中不包含任何固体，结构复杂。流体区域轴向剖面图如图9所示。

图9 流体区域轴向剖面图

为保证计算精度，对流体区域的气隙、进口和出口进行了剖分网格加密。计算网格剖分如图10所示。

图10 计算网格剖分 图11 边界条件

在流体场计算中，气体入口为电动机转子端部，模型中流体矢量指向流体内部，出口为定子径向通风孔外圆，流体矢量指向流体外部。边界条件如图11所示。

假设外界为1个大气压且冷却空气不能压缩，转子转速为156 rad/s，进口空气湍流强度为5 %时，求解连续性方程和动量方程。

连续性方程为

动量方程为

2 计算结果

通过对建立的模型进行计算，得到电动机流体区域总体流线斜视图，如图12所示。从图中可以看出，在定转子端部冷却空气绕电动机轴向流动，且流速较高，特别是在转子风扇区，流速可达40～60 m/s。定子端部绕组附近的空气流速也比较高，数值约在30 m/s。

图12 流体区域总体流线斜视图

为得到轴附近轴向通风沟中的流体和铁心径向通风沟中的流体情况，作总体流线的侧视图如图13所示，矢量图如图14所示。

图13 总体流线侧视图

图14 矢量图

从图中可以看出在轴向通风沟中，靠紧端部的部分流速较大，而在靠紧铁心轴向中点处的铁心径向通风沟中的流速较小。而在径向通风沟中，靠紧端部的部分流速较小，靠紧铁心轴向中点处的轴向通风沟中的流速较小。

电动机通风系统风速矢量图14中可以得到各点的通风流向。由于气隙部分转速相差较大，空气流动较为复杂，为观察气隙各个部分的空气流动特点，分别以端部侧、轴向1/4处和轴向中部作为分析对象，气隙流速矢量放大图形如图15所示。

(a) 端部侧 (b) 轴向1/4处 (c) 轴向中部图15 气隙流速矢量图

在端部侧，气隙与进风口很近，在转子旋转引发旋转的空气流动外，进气口的进入的空气增加了气隙的轴向空气流动，所以在此部分包含了较大的轴向空气流动分量，如图15(a)所示。轴向1/4处的空间位置距离进风口较远，气隙中所产生的空气流速矢量中的轴向分量相对减少，如图15(b)所示。轴向中部在轴向对称轴附近，从电动机两端进气口进入的轴向流速矢量在此基本抵消，流速矢量主要演轴向旋转，如图15(c)所示。

为观察电动机内部各部分的通风情况，沿电动机轴向作截面，得到轴向截面上的风压和风速分布云图，分别如图16和图17所示。

图16 风压云图 图17 风速云图

从图中可以看出风压和风速最大值出现出现在在转子风扇外圆附近。

在高压电动机风路设计中，转子风扇一定的情况下，轴向通风沟和径向通风沟为电机主要的风路结构，其中的气体参数对整个电动机的散热起到至关重要的作用。现对一条通风沟横截面行心、沿指向电动机端部的轴向路径“Z”的路径进行采点，得到电动机轴向路径；从通风沟横截面行心沿半径方向指向定子外径处的路径“Y”进行采点，得到电动机径向路径。轴向路径和径向路径如图18所示。

图18 轴向路径和径向路径

风压和风速的轴向分布曲线如图19所示。

(a)风压轴向分布 (b) 风速轴向分布图19 风压和风速的轴向分布

从风压轴向分布曲线可以得到风压最大值出现在转子风扇附近，可达101 350 Pa，最小值出现在轴伸侧约1/4处，最小值在100 450 Pa，在电机进风口处的风压约为101 350 Pa，电机轴向中点处，即Z=0的位置，风压约为101 175 Pa，整个轴向通风沟中最大压力差可达900 Pa。在风速轴向分布曲线中可以看出，路径上风速最大处在风压最大的部分，可达30 m/s，而在模型轴向中部附近风速最小，其值在约2 m/s，进风口处的风速约为23 m/s，电机轴向中点处的风速约为5 m/s。

风压和风速的径向分布如图20所示。

(a)风压径向分布 (b) 风速径向分布图20 风压和风速的径向分布

在风压径向分布曲线中可以看到，径向通风沟中的风压在气隙附近达到极值，在定子侧风压最大，达到102 250 Pa，而转子侧最小，为约100 700 Pa，径向起点处的风压约为101 100 Pa，径向终点处的风速约为101 400 Pa，最大压力达到1 550 Pa。风速最大值出现在径向风压最大处附近，达到36 m/s，而曲线终点的风速最小，约为7 m/s，径向起点出的风速约在12.5 m/s。

3 结 语

通过建立一台Y 500-4-1 120 kW-10 kV高压电动机的整体数学模型，得到了与电动机模型相对应的流体区域计算模型。经计算得到了电机内部风路的风压和风速分布规律，在通风结构设计中应尽量避免在通风最差点出现过热点，破坏电动机的内部绝缘。

【参考文献】

[1] 刘夫乾，李志强，黄坚．一种超高效率电机新型风扇结构的考虑[J]．电机与控制应用，2010， 37(12)：18-20.