自冷式永磁电机冷却风扇的设计

张景峰

（沈阳航天新光集团有限公司，辽宁 沈阳 110043）

1 引言

永磁电机的显著特点之一就是高效率，其冷却结构是非常重要的一个部分。对于自冷式永磁电机来说，如果在其冷却结构中所设计的风扇不合理，不但会影响电机温升，还可能会额外增加电机的通风损耗，从而影响电机效率，所以为保证其合理温升和效率，就应设计出与该电机配套的冷却风扇。本文以一台190kW永磁同步电机作为研究对象，将解析计算与流场仿真相结合，设计出合适的冷却风扇。

2 冷却风扇的尺寸设计

永磁电机冷却风扇尺寸的设计主要包括确定内、外径D1和D2，风扇叶片的宽度b，倾角β和叶片数N。本次风扇设计采用径向式，所以倾角β为90°。

具体设计的解析过程如下：

表1 冷却风扇外形尺寸

（1）首先根据190kW永磁同步电机的尺寸，初选出冷却风扇的叶轮外径D2。对于轴向通风的冷却系统，D2应尽可能选取最大可能值，这是为了产生较高的风压。

（2）对于风扇叶片宽度b的设计，本文将《Y2电机手册》和《电机设计》这两书中介绍的设计方法相结合。首先初选了风扇叶片的宽度b，根据《Y2电机手册》中的公式（1）可以计算出最大风量Qm，其次利用了《电机设计》上的公式（2）反推出了风扇叶片的宽度b的值，并且将其与初选的b值进行比对校核，通过调节初选值使校核的差值达到最小。

式中：

K——考虑叶片的厚度所占的空间使进风的面积减少而引起的系数，一般为0.92；

n——额定转速。

（3）冷却风扇的内径D1的设计同样是结合了《Y2电机手册》和《电机设计》的设计方法，根据《Y2电机手册》中的公式（3）首先推算出冷却风扇的空载静压h0，然后根据《电机设计》书中的公式（4）推算出风扇叶轮内径的线速度。

式中，ρ为风扇运行时空气密度，再根据公式（5）推算出冷却风扇的内径D1。

表2 风扇采用不同扇叶数时的风速对比

（4）最后根据经验公式（6）确定出冷却风扇的叶片数量。

根据上述的设计步骤，冷却风扇的设计流程如图1所示，最后的设计尺寸见表1。

3 电机的流场仿真

3.1 风扇建模

利用Solidworks软件对所设计的冷却风扇进行三维建模，如图2所示。

然后将永磁电机冷却风路建模成实体，将风扇模型与风路模型相配合，需要注意的是，为了避免入口和出口回流现象，需要将模型的入口和出口伸长一部分，如图3和图4 所示。

3.2 风扇流场仿真

将建立好的模型利用gambit软件进行网格剖分，剖分时应将各实体部分进行分割再分别画成六面体网格，进而导入CFD软件来进行流场仿真。CFD即计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics）是经过计算机的数值计算和图形显示，对所包含的流体流动和热传导等物理现象的系统所做的计算分析。本文所采用的是CFD中的Fluent软件，计算前的初始条件应该为：

（1）冷却风扇叶片转速为1800rpm（即电机的额定转速）。

（2）出入口设置为压力出入口。

（3）不可压流体。

（4）标准湍流模型。

仿真计算结果如图5～图9所示。

经计算流入风扇的平均风速为5.477m/s，流出风扇的平均风速为3.780m/s。

经计算散热筋处空气平均流速为16.305m/s。

上述为该尺寸条件下16扇叶的流场仿真计算结果，实际风扇运行时叶片表面会存在磨擦损耗和具有一定厚度，因此如果叶片数过多会造成过流面积过小，片间磨擦损耗过大，影响效率，所以本文又进行了9扇叶和12扇叶的流场仿真，模型如图10所示，仿真结果见表2。

由表2可知，随着扇叶数增加，反而造成了平均风速下降，这是不利于电机冷却的，而且还会造成叶片间的摩擦损耗加大，从而影响到风扇效率，所以该电机模型应选取9扇叶为最终的设计方案。

结论

本文以一台190kW自冷式永磁同步电机为例，将解析法和流场仿真相结合，阐述了风扇设计的具体流程，设计出了适用于该电机的径向式风扇，且对比了不同扇叶数时风速的变化，最终确定了设计方案。

[1]黄国治，傅丰礼.Y2 系列三相异步电动机技术手册[M].北京：机械工业出版社，2004.

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