箱式YXKK电机铸铁机座替换钢板机座的研究

朱恩旭,蔡合超,陈伟伟,安海峰,王一品

(1． 信阳职业技术学院,信阳 464000; 2． 卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司,南阳 473008)

0 引言

YXKK箱式空空冷系列电机具有低中心高、高功率密度、低温低噪、高能效等优点,且在产品运行和使用过程中具备安全、维修互换便利等优势,同时又满足国家各项能效检测标准和环保指标。箱式系列电机应用覆盖面广泛、涉及行业多种多样,主要在石油石化、矿山机械、电力化工、煤炭钢铁等工况中作为动力驱动设备应用。因此,缩短该系列电机的生产周期,达到大规模批量化生产尤为重要。

当前YXKK系列电机机座的主打结构为钢板焊接件,也就是将不同外形尺寸的钢板件依照相应的装配尺寸和工艺路线焊接组装成一个稳固牢靠的整体;其优势主要体现在对于同一通风冷却结构的中心高电机,钢板机座适用于该中心高下不同功率档、不同转速下的所有电机。钢板机座虽然能够提前进行生产、预存备件,但是焊接工序较多、生产周期较长且材料成本和整机重量均是升高的。因此针对YXKK量大面广的中心高产品提出铸铁机座配置方案,实现箱式铸铁机座设计,使该中心高下所有类型规格的电机所用机座相同。在一定程度上减少了生产加工时间的同时,也综合降低了电机成本,提升了YXKK产品的市场竞争力。

目前,已有文献[1]论述了紧凑型YB系列电机钢板机座改为铸铁机座对电机温升的影响;文献[2]对铸铁机座电机节能方面进行了分析讲解;文献[3]通过对高压紧凑型电机薄壁球墨铸铁机座制造过程中遇到的关键问题进行分析,制定了相关工艺改进措施。本文以YXKK355-4 355 kW 10 kV单侧风路冷却结构电机为研究对象,对该型号电机在钢板机座与铸铁机座两种情况下的材料及应用方面进行对比,并对这两种机座结构采用FLUENT软件进行了温度场模拟分析计算,同时对该电机的铸铁机座进行了固有频率和强度方面的模拟分析计算。

1 钢板机座与铸铁机座材料及应用方面对比

1．1 材料方面对比

钢板机座所用材料多为低碳钢(1%C,即含碳量1%),导热系数43.2 W/(m·k);铸铁机座所用材料多为HT250灰铸铁(3%C,即含碳量3%),导热系数39.2 W/(m·k)。较之于低碳钢,铸铁的塑性、焊接性和基体组织的均匀性虽然都较差,但其含碳量要远高于低碳钢,铸铁的抗拉强度、韧性和塑性要比同样基体的低碳钢要低得多。虽然铸铁的机械性能不如钢,但铸铁中的石墨因素大大提升了其基体组织和性能。铸铁熔点在1 148～1 400 ℃之间,铁水流动性好,且石墨在结晶过程中会促使其体积膨胀,大大降低了收缩性,所以铸铁多用于铸件。

1．2 应用方面对比

钢板机座焊接量大,生产效率低;而铸铁机座所用铸造模具可反复使用,容易制作、成本低、生产周期短、生产效率高。铸铁的价格比低碳钢价格低,在大规模批量生产的前提下,采用铸铁件的成本比钢板焊接加工零件的成本要低的多。

2 电机温度场仿真模拟及结果分析

2．1 电机通风结构

YXKK系列电机的通风系统是由封闭式内风路和开放式外风路组成的,内风路属于轴径向多段分流式通风循环结构,通过轴伸端离心风扇旋转增压所提供的压力,驱使内部流体流动,构成循环风路。外风路同样在离心外风扇的旋转驱动作用下,迫使外部低温气体进入冷却管内部,通过冷却管管壁与电机内部的高温气体进行强迫对流换热,从而达到降低内部空气温度和绕组温升的目的。电机通风结构如图1所示。

图1 电机通风结构示意图

2．2 基本假设

根据电机特征以及机座的换热特性,对该电机的分析模型进行下列假定,并采用Fluent分析软件进行模拟计算[4-6]。

(1) 流体域流体的雷诺数很大(Re>2300),流体此时处于湍流流动状态,故采用湍流模型对电机机座内部流场进行仿真模拟;

(2) 假定电机内冷却介质的浮力和重力不存在;

(3) 研究电机流体域流体流速的稳定状态,即定常流动,控制方程中不含时间项;

(4) 将电机定子铁心叠压硅钢片看成一个整体进行建模;

(5) 定子槽内多匝绕组作为一个整体建模,并忽略绕组的集肤效应;

(6) 假定槽楔近似与槽同宽;

(7) 假定电机内各部件紧密接触,无接触热阻;

(8) 忽略电机槽内由于制造工艺所带来的误差。

2．3 电机温度场计算求解模型

根据YXKK355-4 355 kW 10 kV单侧风路冷却结构电机结构的特点,采用三维绘图软件Solid Works2016进行模型建立,忽略不影响电机热流耦合计算的螺栓结构连接件、密封装置等部件,简化建立仿真分析用两种机座通风冷却系统下的电机温度场计算物理模型。该物理模型涵盖了机座、定子线圈、定子铁心、转子导条、转子铁心、内风扇、两端端盖等零部件,建立温度场仿真分析用求解模型如图2所示。

图2 温度场求解模型

其中除了机座不同外,内部定转子等结构都是相同的,且两端端盖和机座均采用实际建模方法,将端盖散热筋和机座筋按照与实际电机1∶1的比例进行求解模型的建立。根据所见三维模型计算可得:钢板机座电机整体外表面换热面积为6.18 m2,铸铁机座电机整体外表面换热面积为8.05 m2;铸铁机座电机整体外表面换热面积是钢板机座的1.3倍。

2．4 边界条件

采用多面体网格划分软件Fluent meshing19．2对所建立的温度场3D求解模型进行网格划分,保证网格质量至少达到0.25。该电机是根据实物所构成的热流耦合空间来进行温度场数值仿真计算的,因此需要对进口边界和内部旋转区域设置边界条件。

(1) 环境温度20 ℃,进口边界采用整机流场得到的流量,钢板机座内风路进口流量为0.439 m3/s,铸铁机座内风路进口流量为0.444 m3/s;根据外风路得到的冷却风量和能量守恒关系计算得到进口温度为30 ℃,出风口为压力出口设置为0 Pa;机壳外表面为自然对流换热,对流换热系数为9.73 W/(m2·K)。

(2) 电机流体旋转模拟时采用MRF参考系数,转速1 500 r/min。

(3) 采用k-epsilon Realizable Enhanced湍流模型进行温度场模拟计算[6]。

2．5 数学模型

在工程实际应用中,电机流体的速度要远小于声速,且空气的密度几乎保持不变,故在该文中将空气定性为不可压缩气体。电机流体的流动满足质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程,其相应的控制方程如下[7-10]。

(1) 质量守恒方程

质量守恒方程即连续性方程,是任何流动问题都必须满足的控制方程。质量守恒方程可表述为:

式中:u、v、w分别为x、y和z方向的速度分量。

(2) 动量守恒方程

动量守恒方程也称作运动方程即N-S方程,x、y、z三个方向的动量守恒方程为:

式中:ρ为密度;p为压力;τxx、τyx和τzx等为黏性应力τ的分量。解决任何流动系统问题也必须满足动量守恒方程这一基本方程。

(3) 能量守恒方程

式中:cP为比热容;T为温度;k为流体的传热系数;ST为流体的内热源及由于黏性作用流体机械能转换为热能的部分,有时简称ST为黏性耗散项。

2．6 温度场特性分析

图3为通过云图可视化展现了钢板机座和铸铁机座的轴截面温度分布境况。可以发现这两张温度云图的温度范围是一致的。

图3 机座轴截面温度云图

对比可知:两种方案转子导条和转子铁心温度变化不大,这是由于进风口温度一样且进口流量变化很小,且由于气隙的存在导致定转子部位换热较差。虽然钢板的导热系数43.2 W/(m·k)略大于铸铁的导热系数39.2 W/(m·k),但是钢板机座方案的定子铁心和定子线圈温度要高于铸铁机座方案。一方面是因为铸铁机座定子铁心背部到机座壁空腔距离小,因此背部对流与机座表面换热更为充分;另一方面定子铁心背部与机座表面的换热还是对流为主,一般考虑的还是对流换热系数,空气无对流的导热热阻非常大。两种方案各部位的平均温度对比如图4所示。

图4 两种方案各部位平均温度对比

两种方案转子部位平均温度一样,铸铁机座较之钢板机座定子铁心平均温度低了5 K,定子线圈平均温度低了6 K。证明了在通风散热方面铸铁机座结构要优于钢板机座结构。

3 铸铁机座刚度和强度分析

以箱式YXKK355-4 355 kW 10 kV电机机座为研究对象,该机座采用HT250灰铸铁铸造,利用SolidWorks绘制其三维模型,Ansys计算其固有频率和强度。

通过模态分析对电机定子结构设计进行校核,降低电机在后续生产试验和使用中的振动风险,确保结构的固有频率避开激励频率且有足够的隔离裕度。该电机的一阶模态为73.784 Hz,与工作转速50 Hz的隔离裕度为47.57%,满足15%的隔离裕度要求,如图5所示。

图5 箱式355电机一阶模态振型

通过强度分析对电机机座结构设计进行校核,确保电机机座结构的最大应力满足材料许用应力的要求。电机机座强度的主要校核对象为电机的吊环结构,在电机吊装过程中,电机吊环往往承受相当于数倍其自身重力的拉力。参考GE电机公司对铸铁机座电机吊环强度的相关规定,且针对大中型电机在起吊过程中可能存在起吊速度不均匀、摇摆等危险情况,为保证电机在生产、运输过程中的安全性,采用5倍电机总重力作为本次分析电机吊环的受力条件,吊装角度为30°,运用仿真技术模拟吊环的受力情况。在电机5倍总重力下的单个吊环强度为66.178 MPa,安全系数为3.78,满足强度要求。机座强度起吊考虑5倍重力过于保守;且两相短路等极端工况未分析考核,如图6所示。

图6 箱式355机座吊环强度

该电机的额定功率为355kW,额定转矩为1 130 N·m,按6倍额定转矩模拟电机两相短路的极端工况,对电机机座进行强度有限元仿真计算。在6倍额定转矩作用下,机座最大应力为6.689 MPa,安全系数37.37,满足强度要求,如图7所示。

图7 两相短路下箱式355机座强度

4 结论

通过对钢板机座与铸铁机座材料及应用方面进行对比分析可知,在生产成本、生产周期、生产效率等方面,铸铁机座均要优于钢板机座。

相比于钢板机座结构,铸铁机座结构线圈绕组平均温升比钢板机座低了6 K,证明了在通风散热方面铸铁机座结构同样优于钢板机座结构。

铸铁机座完全能够满足电机正常工作的各种条件,且与钢板机座相比,大批量生产的情况下成本更低。