王彩霞，景運(yùn)革

(運(yùn)城學(xué)院公共計(jì)算機(jī)教學(xué)部,山西運(yùn)城 044000）

Fluent在YJ146A異步牽引電動(dòng)機(jī)風(fēng)路計(jì)算的應(yīng)用

王彩霞，景運(yùn)革

(運(yùn)城學(xué)院公共計(jì)算機(jī)教學(xué)部,山西運(yùn)城 044000）

為了解決YJ146A電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重的問題,通過使用F luent專業(yè)的計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)比不同通風(fēng)結(jié)構(gòu)的冷卻效果,并推薦最佳通風(fēng)方式、風(fēng)路設(shè)計(jì)、風(fēng)扇結(jié)構(gòu)等,以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的,并應(yīng)用到電機(jī)制造中.

風(fēng)扇 軸承 通風(fēng)結(jié)構(gòu) Fluent軟件

YJ146電機(jī)是為輕軌車配套研制的牽引電機(jī)，在其安裝位置及空間的約束下，電機(jī)采用了全封閉結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕，功率密度大，電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重.據(jù)資料顯示，在目前防護(hù)等級(jí)及冷卻方式條件下原形電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，繞組溫度在220℃左右，機(jī)座最高溫度在180℃左右.因此為了解決原型電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重的問題，需要對(duì)原型電機(jī)的通風(fēng)方式、風(fēng)路設(shè)計(jì)、風(fēng)扇結(jié)構(gòu)等進(jìn)行優(yōu)化，提出電機(jī)最初結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為內(nèi)、外循環(huán)風(fēng)結(jié)合，并通過在主風(fēng)扇上打孔形成軸承冷卻風(fēng)路.本計(jì)算使用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT詳細(xì)分析額定工作狀態(tài)下電機(jī)風(fēng)路的流動(dòng)和傳熱，并綜合分析內(nèi)、外風(fēng)路及軸承冷卻風(fēng)路，在不影響電機(jī)最初結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)路及風(fēng)扇，以滿足《YJ146A異步牽引電動(dòng)機(jī)風(fēng)路計(jì)算技術(shù)條件》中的要求.

1 計(jì)算條件及方案

1）該電動(dòng)機(jī)主要包括以下模型：機(jī)座、定子鐵心、定子繞組、前端蓋、后端蓋、導(dǎo)條端環(huán)、轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)軸、軸承、主風(fēng)扇和副風(fēng)扇.

2）該電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2089 r／min.

3）該電動(dòng)機(jī)的損耗功率為11 kw，其中定子鐵心2.2 kw，定子繞組4.67 kw，導(dǎo)條端環(huán)4.1 kw，軸承0.03 kw.

4）該電機(jī)的冷卻方式為IC41，即機(jī)殼表面冷卻，機(jī)內(nèi)自循環(huán)的冷卻體系.目前擬采用機(jī)內(nèi)全封閉，軸端自帶風(fēng)扇冷卻機(jī)座內(nèi)通風(fēng)道的結(jié)構(gòu).

5）電機(jī)內(nèi)部為IP54的防護(hù)等級(jí)，即防塵防濺，目前采用了機(jī)內(nèi)全封閉結(jié)構(gòu)；外部冷卻風(fēng)路為IP23防護(hù)等級(jí)，加裝進(jìn)風(fēng)板，可防止12×12mm的固體物質(zhì)進(jìn)入，同時(shí)防淋水.

6）機(jī)座及后端蓋采用球墨鑄鐵材質(zhì)，前端蓋采用鑄鋁材質(zhì)，定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心均采用帶絕緣層的硅鋼片材質(zhì)，主、副風(fēng)扇采用鑄鋁材質(zhì)，繞組采用表面帶絕緣材料的紫銅材質(zhì)，導(dǎo)條端環(huán)采用黃銅材質(zhì)，轉(zhuǎn)軸和軸承采用鋼材質(zhì).

7）由于本計(jì)算只能在不影響電機(jī)最初結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前提下進(jìn)一步優(yōu)化風(fēng)路及風(fēng)扇，所以考慮通過改變主風(fēng)扇與前端蓋的間距和改變主風(fēng)扇上開孔的大小對(duì)風(fēng)路和風(fēng)扇進(jìn)行優(yōu)化，確定了6個(gè)不同的計(jì)算方案，見表1.

表1 計(jì)算方案列表

本計(jì)算即通過對(duì)該6個(gè)方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，以確定最優(yōu)化的方案，并滿足《YJ146A異步牽引電動(dòng)機(jī)風(fēng)路計(jì)算技術(shù)條件》中的要求.

2 模型的建立

用GAMBIT產(chǎn)生所需的幾何結(jié)構(gòu)以及網(wǎng)格見圖1[2]，網(wǎng)格生成后被FLUENT讀入，使用FLUENT解算器進(jìn)行計(jì)算分析.

圖1 用GAMBIT產(chǎn)生的計(jì)算模型圖

3 計(jì)算參數(shù)的選取

3.1 內(nèi)、外風(fēng)壓的確定

對(duì)于外循環(huán)風(fēng)路，根據(jù)FLUENT計(jì)算出的結(jié)果，外風(fēng)壓為1000 Pa時(shí)，外風(fēng)道風(fēng)量為0.2067m3／s.根據(jù)通風(fēng)管路特性，若外風(fēng)壓取1091 Pa，外風(fēng)道風(fēng)量會(huì)更大.風(fēng)機(jī)的工作點(diǎn)為風(fēng)機(jī)特性曲線和管路特性曲線的交點(diǎn).典型的風(fēng)機(jī)性能曲線見圖2.

圖2 模型6機(jī)座溫度分布圖

風(fēng)機(jī)性能曲線中全壓曲線從1100 Pa下降到1000 Pa，流量約增大2／3，故綜合考慮，主風(fēng)扇的工作點(diǎn)選取外風(fēng)壓為1000 Pa，此時(shí)風(fēng)量為0.2067m3／s.

對(duì)于內(nèi)循環(huán)風(fēng)路，根據(jù)FLUENT計(jì)算出的結(jié)果，內(nèi)風(fēng)壓為500 Pa時(shí)，內(nèi)循環(huán)風(fēng)量為0.0188 m3／s.根據(jù)通風(fēng)管路特性，若內(nèi)風(fēng)壓取493 Pa，內(nèi)循環(huán)風(fēng)量會(huì)稍小.根據(jù)風(fēng)機(jī)性能曲線，全壓曲線的風(fēng)壓增大，其流量會(huì)大幅減小，故綜合考慮，副風(fēng)扇的工作點(diǎn)取內(nèi)風(fēng)壓為500 Pa，此時(shí)流量為0.0188m3／s.

3.2 物性參數(shù)的確定

其他的各種材質(zhì)查表即可得到其物性參數(shù)，見表2.

表2 各材料物性參數(shù)表

4 對(duì)流換熱系數(shù)的確定

4.1 自然對(duì)流面的對(duì)流換熱系數(shù)的選取

本計(jì)算不考慮電機(jī)整體在空氣中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，研究其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫度分布情況，故電機(jī)外表面按自然對(duì)流考慮.通常，自然對(duì)流換熱系數(shù)取10W／（m2·k）.

4.2 沖刷面的對(duì)流換熱系數(shù)計(jì)算

電機(jī)在運(yùn)行中，外風(fēng)路的冷卻風(fēng)會(huì)對(duì)電機(jī)的后端蓋外表面進(jìn)行不斷的沖刷，該沖刷面的對(duì)流換熱系數(shù)應(yīng)按強(qiáng)制對(duì)流換熱考慮.根據(jù)FLUENT計(jì)算出的外通道流動(dòng)情況（流速最高達(dá)36m／s），考慮到實(shí)際沖刷面只有大部分面被沖刷，計(jì)算整個(gè)沖刷面的對(duì)流換熱系數(shù)時(shí)，速度按30m／s計(jì)算.

4.3 考慮輻射換熱等效

由于電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,用FLUENT計(jì)算時(shí)其軟件自帶的輻射計(jì)算模型已不再適用,針對(duì)這部分輻射換熱量的等效處理[1],經(jīng)計(jì)算表面1的對(duì)流換熱系數(shù)96W/(m2·k),表面2的對(duì)流換熱系數(shù)取50W/ (m2·k),其余表面的對(duì)流換熱系數(shù)均取10W/(m2·k).

5 環(huán)境溫度

根據(jù)一般的實(shí)驗(yàn)工作環(huán)境，本計(jì)算環(huán)境溫度取25℃.

5.1 計(jì)算結(jié)果及分析

用FLUENT分別計(jì)算6個(gè)模型，得到各模型的機(jī)座最高溫度，軸承最高溫度，繞組最高溫度，外循環(huán)通風(fēng)量和軸承冷卻通風(fēng)量，見表3.

表3 各模型的計(jì)算結(jié)果 單位：℃

由表3可以看出，增大主風(fēng)扇與前端蓋的間距，外循環(huán)通風(fēng)量和軸承冷卻通風(fēng)量基本不變，機(jī)座、繞組、軸承的最高溫度稍有下降，但下降幅度很小.將主風(fēng)扇通孔增大一倍，外循環(huán)通風(fēng)量有稍許下降，但軸承冷卻通風(fēng)量增大約一倍；機(jī)座和繞組的最高溫度基本不變，軸承的最高溫度有所下降，但下降幅度很小.由此看來，軸承之所以溫度高，主要是由于電機(jī)內(nèi)部溫度高，高溫物體將熱量導(dǎo)熱到軸承所致，并不是因?yàn)檩S承冷卻通風(fēng)量不夠.總之，比較各方案的冷卻效果，方案6對(duì)電機(jī)的冷卻效果最好.模型6的機(jī)座溫度分布如圖2，繞組溫度分布如圖3，軸承溫度分布如圖4，電機(jī)縱剖面溫度分布如圖5.

圖3 模型6繞組溫度分布圖

由機(jī)座溫度分布圖（圖2）可以看出，機(jī)座的高溫部分集中于某一小局部.該局部附近沒有外循環(huán)冷卻風(fēng)通過，所以導(dǎo)致溫度較高，而其他大部分區(qū)域溫度是較低的，在150℃以下.

由繞組溫度分布圖（圖3）可以看出，繞組的高溫部分主要集中在端部.由于內(nèi)風(fēng)扇的風(fēng)壓較小，使得內(nèi)循環(huán)風(fēng)的流速較小，繞組端部的對(duì)流換熱較弱，其熱量主要依靠向機(jī)座的導(dǎo)熱，如此導(dǎo)致端部溫度較高.要進(jìn)一步降低繞組溫度，可以考慮提高內(nèi)風(fēng)壓.但是，提高內(nèi)風(fēng)壓對(duì)繞組的冷卻是有一定局限的.因?yàn)槔@組通過對(duì)流換熱將熱量傳給內(nèi)循環(huán)風(fēng)，使內(nèi)循環(huán)風(fēng)溫度升高，對(duì)流換熱溫差減小，這樣對(duì)流換熱量增大幅度不是很大，當(dāng)內(nèi)風(fēng)壓提高到一定程度，繞組溫度并不能降低.

由軸承溫度分布圖（圖4）可以看出，軸承的高溫部分也是集中于某一小片區(qū)域，其他大部分區(qū)域溫度都在90℃以下.軸承的高溫區(qū)域與轉(zhuǎn)軸緊靠，說明軸承的高溫主要是由于內(nèi)部熱量導(dǎo)熱所致，這也進(jìn)一步解釋了為什么軸承冷卻通風(fēng)量增大對(duì)軸承降溫影響不大.

圖4 模型6軸承溫度分布圖

圖5 模型6電機(jī)縱剖面溫度分布圖

6 結(jié)論

本計(jì)算通過使用計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT詳細(xì)分析各方案在額定工作狀態(tài)下電機(jī)風(fēng)路的流動(dòng)和傳熱，對(duì)其冷卻結(jié)果進(jìn)行了比較和分析，得出結(jié)論：方案6（即主風(fēng)扇與前端蓋的間距為15 mm，主風(fēng)扇上開孔在11×?12圓孔基礎(chǔ)上開孔面積增大一倍時(shí)）對(duì)電動(dòng)機(jī)的冷卻效果最好.

[1]A H鮑里先科.電機(jī)中的空氣動(dòng)力學(xué)與熱傳遞[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[2]王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.

[3]王瑞金,張凱,王剛.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:清華大學(xué)出版社,2007.

[4]姚征,陳康民.CFD通用軟件綜述[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2002,24(2):22-25.

[5]韓占忠,王敬,蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.

Application of Fluent in YJ146A Asynchronous Traction M otor W ind Eta Path Computation

WANG Cai－xia，JING Yun－ge
（Public Computer Teaching Department，Yuncheng University，Yuncheng Shanxi，044000）

In order to solve the overhaet problem of YJ146A electricalmachinery，we use FLUENT the specialized computation hydromechanics software contrast to ventilate the structure differently the cooling performance，and recommend the optimal ventilation way，the wind eta path design，the ventilator structure and so on，and have achieved the optimization design the goal.

ventilator；bearing；ventilates the structure；Fluent software

TM343

A

〔編輯李海〕

1674－0874（2010）01－0029－04

2009－09－25

王彩霞（1970－），女，山西運(yùn)城人，講師，研究方向：信息安全.