IC611高压异步电动机外风扇优化设计

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(泰豪沈阳电机有限公司，辽宁沈阳110000)

0 引言

从节能角度出发，研究大中型高效电机是目前电机行业的发展趋势之一。要提高大中型高压电机的效率，就要降低电机总损耗，对于高压高效异步电动机机械损耗占总损耗的40%左右[1]。就降低机械损耗来说，大多数厂家通过采用合理的通风结构形式、改善风扇、改善工艺技术等来实现。风扇设计显然很重要，目前大中型高压电机风路设计多数采用理论计算，随着计算机运行速度提高，有限元分析逐步引入电机设计当中，流体分析软件也应运而生，这对改善风扇、提高效率具有重要意义。

1 径向离心风扇外特性[2]

(1)离心式风扇在空载运行时所产生的静压力p0

p0=η0ρ(u22-u12)

(1)

式中，η0—风扇空载时的气体效率；ρ—空气密度，kg/m3；u1、u2—叶轮内径、外径处的线速度，m/s。

(2)离心式风扇在短路运行时，其外部风阻为零。此时风扇所产生的外压力p=0，而经过风扇的流量为最大qvm，根据经验径向风扇。

qvm≈0.42u2A2

(2)

式中，A2可按式(3)计算

A2=kπD2b

(3)

式中，D2—叶轮外径,单位m；b—叶片的轴向宽度；单位m；k—系数，通常为k=0.92。

(3)径向离心式风扇特性曲线p=f(qV)用标幺值表示时，简化形式如下

(4)

2 外风路有限元分析

(1)高压异步电机外风路基本结构

本文以型号YKK 400-4 400kW 6kV IP54为例，同步转速1500rpm，电机外风路由外风扇，风扇罩和冷却器组成。外风路简化模型如图1所示。

电机外风路风扇主要以径向风扇和后倾风扇为主[2]，本文主要分析径向离心风扇，空载风压，短路风量，以及风扇在外风路中产生的风压和风量； 外风扇具体参数如图2所示；风扇罩将风扇所产生的风量引入冷却器中，具体尺寸不做详细介绍；冷却器，本文采用M型布管，管径φ25×1，管长1500mm，数量400个。

图2 外风扇基本参数

(2)径向离心风扇外特性分析

离心风扇空载风压，在风量为零的条件下，分析风扇进出口压差，其压力分布如图3所示。风扇空载平均压差po=541Pa。

图3 外风扇空载压力分布

离心风扇在自转的条件下，其风速分布如图4所示，压力分布如图5所示。风扇产生的风量1.58m3/s；平均压差为157Pa。

根据离心风扇特性曲线式(4)，可以求得离心风速短路风量

qvm=1.875m3/s

图4 外风扇风速分布

图5 外风扇压力分布

(3)离心风扇在外风路中产生的风量和压差

通过对外风路的有限元分析，离心风扇所产生的风速分布如图6所示，在外风路中，空气的流动轨迹如图7所示。外风路产生的风量为1.35m3/s，外风扇产生的平均风压压差为264Pa。

图6 外风路风速分布

图7 外风路空气流动轨迹

将外风路风量代入外风扇的外特性曲线式(4)，可以获得外风扇在外风路中所产生的平均压差为 256Pa。进而通过分析外风路中外风扇产生的压差与理论计算所获得的压差进行对比，压差比较接近，进而验证有限元分析的可行性。

3 优化外风路中离心风扇

优化离心风扇，使离心风扇工作效率最高；根据离心风扇特性曲线公式介绍，当工作风量接近离心风速最大风量一半时，离心风扇工作效率最好。因此，根据当前外风路所产生的风量和压差，可以获得外特性较优的离心风扇，具体方法如下。

(1)优化外风扇外特性

假设当前外风路中离心风扇所产生的风量正为电机散热所需要的风量，当前外风路中产生的风量1.35m3/s和风压274Pa作为优化后外风扇的工作点。因此优化后的外风扇的短路风量为二倍的工作风量，qvm=2.7m3/s将短路风量代入式(4)，可求得空载压差po=365Pa。

(2)推算优化外风扇外形尺寸

根据空载压差式(1)和短路风量式(2)可以估算一个离心风扇的外形尺寸，基本参数为风扇的内径，外径和扇叶的宽。

当估算的外风扇尺寸确定后，再进行外风扇的外特性分析，如果分析结果与优化外风扇外特性值误差大，就返回修正参数，重新计算，直到满足优化外风扇特性要求。优化后的外风扇外形尺寸如表1所示。

表1 外风扇优化前后参数对比

(3)优化外风扇后外风路分析

优化后的外风扇放入外风路中，分析外风路的所产生的风量和风压，外风路的风速分布轨迹如图8所示；具体优化参数见表1外风扇优化前后参数对比。

图8 外风路风速分布轨迹

在外风路中，外风路风量和外风扇输入功率是风扇优化的重点，根据分析表明，优化前的外风路风量略大于优化后风量；外风扇的输入功率，就是风扇旋转所需要的转矩与风扇的角速度乘积。由于风扇的角速度是不变的，因此对比风扇输入功率，相当于对比风扇的输入转矩，显然优化后转矩较小，外风扇的能耗减小。

从这次优化的结果来看，外风扇并没有达到最优状态原因有两方面：(1)为了提高外风扇风量，增加扇叶宽度，这时风扇罩的宽度要大于叶片宽度，因此外风扇的结构受外风扇罩限制；(2)优化前的工作点是优化后外风扇的最优工作点，但是在外风扇改变的条件下，外风路的风阻也是变化的，因此外风路中优化后外风扇的工作点不在效率最佳点上。

4 结语

高压异步电动机的外风扇优化设计，将外风扇的理论计算和有限元分析相结合，在假设外风路的工作风压和风量不变的条件下，使外风扇的短路风量为工作风量的2倍，这样外风扇的工作效率得到提高；这对提高电机的整体效率，改善电机散热能力，开发大中型高效电机具有重要意义。