熊 用, 祝后權(quán), 戴 勇, 高升華

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，湖北 武漢 430064)

0 引 言

電機(jī)端部導(dǎo)風(fēng)板結(jié)構(gòu)常見于轉(zhuǎn)速較高、具有軸帶風(fēng)扇的電機(jī)，其作用有： (1) 形成一道通過端部的風(fēng)路；(2) 作為軸帶風(fēng)扇的蝸殼，可有效提高風(fēng)扇的壓頭與效率[1]。對(duì)稱徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 對(duì)稱徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)示意圖

電機(jī)齒壓板結(jié)構(gòu)位于定子鐵心兩側(cè)，拉緊疊壓鐵心，同時(shí)形成電機(jī)最外側(cè)風(fēng)路通道。齒壓板去掉壓板后，剩下齒壓片與撐片，與電機(jī)鐵心中部的通風(fēng)槽板結(jié)構(gòu)一致。去除壓板后齒壓板結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 去除壓板后齒壓板結(jié)構(gòu)

本文研究對(duì)象為低轉(zhuǎn)速、無軸帶風(fēng)扇、使用外加風(fēng)機(jī)冷卻的大中型感應(yīng)電機(jī)。隨著電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加緊湊，圖1中兩側(cè)風(fēng)機(jī)位置需要向中間移動(dòng)以減小電機(jī)軸向長(zhǎng)度，此時(shí)風(fēng)機(jī)出風(fēng)直接經(jīng)過端部，不需要再引風(fēng)路進(jìn)行冷卻。

此外，端部已沒有足夠的空間來安置導(dǎo)風(fēng)板，強(qiáng)加導(dǎo)風(fēng)板將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，如取消導(dǎo)風(fēng)板，既能縮減尺寸，又可簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。但取消導(dǎo)風(fēng)板后，將形成一道從齒壓板直接到達(dá)定子鐵心背部出風(fēng)口的風(fēng)路，相比經(jīng)過定、轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)溝，此風(fēng)路路徑要短得多，可能會(huì)形成風(fēng)路上的“短路”。本文研究取消導(dǎo)風(fēng)板后，不同齒壓板風(fēng)路結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)整體風(fēng)路產(chǎn)生的影響。

隨著流體數(shù)值仿真軟件的普及使用，電機(jī)通風(fēng)三維數(shù)值計(jì)算案例較為多見，但模型中包含外掠流過端部還少見文章報(bào)道。本研究中取消導(dǎo)風(fēng)板，冷卻空氣直接經(jīng)過端部，端部對(duì)流道的影響將不能忽略，故建立電機(jī)的三維通風(fēng)計(jì)算模型時(shí)須包含完整的端部特征，綜合考慮風(fēng)路進(jìn)風(fēng)口、端部、齒壓板、定子和轉(zhuǎn)子的流動(dòng)特性。

1 設(shè)計(jì)方案

本文選取1臺(tái)閉式對(duì)稱徑向通風(fēng)冷卻的1000kW感應(yīng)電機(jī)，其整體結(jié)構(gòu)及風(fēng)路如圖3所示。冷卻介質(zhì)進(jìn)入電機(jī)，經(jīng)過定子端部繞組分為3路： (1)經(jīng)齒壓板到定子背部；(2) 流向氣隙；(3) 流向轉(zhuǎn)子支架，經(jīng)過轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝后進(jìn)入氣隙，匯合另一路空氣流經(jīng)定子徑向通風(fēng)溝，最后經(jīng)過空氣/水熱交換器，將熱量傳遞出去。

圖3 閉式循環(huán)徑向通風(fēng)冷卻示意圖

該電機(jī)結(jié)構(gòu)整體軸向?qū)ΨQ，轉(zhuǎn)軸徑向支架數(shù)量為6個(gè)，轉(zhuǎn)速250r/min。定、轉(zhuǎn)子軸向通風(fēng)溝對(duì)齊等距布置，鐵心間距70mm，風(fēng)溝數(shù)量包含齒壓板風(fēng)路為12道，每道寬度10mm。端部取消了導(dǎo)風(fēng)板，根據(jù)齒壓板風(fēng)路結(jié)構(gòu)不同設(shè)計(jì)了3種方案： (1) 齒壓板風(fēng)路全開(其風(fēng)路結(jié)構(gòu)與中間鐵心通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)一致)；(2) 齒壓板風(fēng)路半開，通風(fēng)溝寬度為5mm；(3) 齒壓板風(fēng)路關(guān)閉。

2 計(jì)算過程

2.1 計(jì)算模型

根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)及風(fēng)路特點(diǎn)，計(jì)算模型取實(shí)際電機(jī)軸向的1/2，周向的1/6，建立其包含端部結(jié)構(gòu)的三維數(shù)值模型進(jìn)行計(jì)算。整體模型如圖4所示，去掉端部機(jī)殼后的結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，定子線圈端部的結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖4 整體模型

圖5 去掉端部機(jī)殼后的結(jié)構(gòu)模型

圖6 定子線圈端部的結(jié)構(gòu)模型

2.2 計(jì)算軟件

計(jì)算采用Fluent軟件，關(guān)于該軟件的說明見參考文獻(xiàn)[2]。

2.3 邊界條件

進(jìn)出口邊界分別采用流量進(jìn)口、壓力出口，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型。

設(shè)定單臺(tái)風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的風(fēng)量為2m3/s，計(jì)算出輸入質(zhì)量進(jìn)口質(zhì)量流量為0.4083kg/s。

各連接部分采用interface邊界相連。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 總體流動(dòng)阻力壓降

電機(jī)流動(dòng)阻力總壓降包括電機(jī)本體、風(fēng)機(jī)出口、冷卻器的壓力損失。本文只計(jì)算電機(jī)本體壓降，風(fēng)機(jī)出口損失為風(fēng)機(jī)出口的動(dòng)壓損失，冷卻器的壓力損失由小樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到。電機(jī)各工況流動(dòng)阻力壓降計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 各工況流動(dòng)阻力壓降計(jì)算數(shù)據(jù) Pa

由表1可知，同等風(fēng)量下，不同齒壓板結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)本體壓降影響很大，各工況相差接近倍數(shù)關(guān)系，說明齒壓板風(fēng)路短路效應(yīng)十分明顯。在疊加冷卻器與風(fēng)機(jī)出口損失后，電機(jī)總壓降差距相對(duì)有所減小。

根據(jù)電機(jī)阻力特性與選用的風(fēng)機(jī)特性曲線，作電機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)如圖7所示，得到電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的工況點(diǎn)，如表2所示。全開工況在實(shí)際工況下的電機(jī)本體壓降為760Pa。

圖7 電機(jī)運(yùn)行工況點(diǎn)

齒壓板風(fēng)量(體積流量)/(m3·s-1)總壓降/Pa全開2.11300半開1.91480封閉1.61700

由表2可知，配上風(fēng)機(jī)后，相比齒壓板全開工況電機(jī)產(chǎn)生的總冷卻風(fēng)量，半開后減少了約10%，全封閉減少了約23.8%。差異程度并沒有如本體壓降那么大，這是因?yàn)楸M管3種工況下電機(jī)本體阻力相差較大，但疊加冷卻器與風(fēng)機(jī)出口損失后，總體壓降差距拉近，且選用風(fēng)機(jī)特性曲線較平穩(wěn)，故最終獲得的冷卻風(fēng)量差距并不大。

3.2 風(fēng)路流量分配

齒壓板全開時(shí)電機(jī)定子風(fēng)溝的速度矢量圖如圖8所示。齒壓板處速度矢量顏色遠(yuǎn)比其他風(fēng)溝深，表明此處通過風(fēng)量很多。定子各風(fēng)溝具體流量分布如表3所示。齒壓板定義為第一道風(fēng)溝，其他風(fēng)溝根據(jù)圖5上位置從左到右編號(hào)。

圖8 定子風(fēng)溝的速度矢量圖

風(fēng)溝全開半開全閉流量分布/(kg·s-1)比例/(%)流量分布/(kg·s-1)比例/(%)流量分布/(kg·s-1)比例/(%)10.16740.90.10024.20020.05312.90.06616.10.08721.330.05012.30.06315.30.08320.340.04911.90.06114.90.08019.750.04811.70.06014.70.07919.460.04811.70.06014.70.07919.3

由表3可知，齒壓板全開時(shí)，齒壓板形成的第1道風(fēng)溝通過風(fēng)量遠(yuǎn)大于其他風(fēng)溝，風(fēng)量占比超過40%，其余幾道風(fēng)溝之間則較均勻。這表明齒壓板風(fēng)路確實(shí)形成了電機(jī)風(fēng)路的短路，故此工況流動(dòng)阻力最小，風(fēng)機(jī)提供的總體風(fēng)量最大。冷卻氣體多數(shù)從齒壓板該路流走，但此通路并無多少發(fā)熱部件。

齒壓板半開工況中，齒壓板風(fēng)溝風(fēng)量要大于其他風(fēng)溝，但差別已不突出。齒壓板全閉工況中，各風(fēng)溝風(fēng)量分布基本一致。

根據(jù)表2的電機(jī)實(shí)際流動(dòng)總體風(fēng)量與表3的定子風(fēng)溝風(fēng)量比例，可得到不同結(jié)構(gòu)下的風(fēng)溝實(shí)際流量分布，如圖9所示。

圖9 定子通風(fēng)溝實(shí)際流量分布

由圖9可知，電機(jī)定子風(fēng)溝實(shí)際風(fēng)量以全閉工況最大，半開次之，全開最小。全開工況中，盡管總風(fēng)量最大，但多數(shù)集中在齒壓板；全閉工況中，中間風(fēng)量大，但齒壓板完全不過風(fēng)。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)說明

電機(jī)本體端部與定子背部設(shè)有測(cè)壓孔，可測(cè)得電機(jī)本體壓降。電機(jī)背部的維修蓋板打開后，電機(jī)變?yōu)殚_式通風(fēng)，可測(cè)得電機(jī)定子每道風(fēng)溝的出風(fēng)流量，得到電機(jī)風(fēng)路的流量分配。定子背部通風(fēng)溝如圖10所示。

圖10 定子背部通風(fēng)溝

壓力測(cè)試儀器為微壓計(jì)Digitron 2080P，其量程為2500Pa；風(fēng)溫與風(fēng)速測(cè)試儀器為熱線風(fēng)速儀testo 425，其溫度量程為70℃，速度量程為30m/s。在此次測(cè)試過程中，個(gè)別測(cè)點(diǎn)的速度超過了該量程，記為30m/s。

4.2 總體阻力壓降數(shù)據(jù)與分析

試驗(yàn)與計(jì)算的數(shù)據(jù)對(duì)比如表4所示。數(shù)值計(jì)算值要稍大于試驗(yàn)結(jié)果，誤差為7%～10.1%，符合工程要求。

表4 試驗(yàn)與計(jì)算的數(shù)據(jù)對(duì)比

4.3 風(fēng)路流量分配數(shù)據(jù)與分析

記錄試驗(yàn)隨時(shí)間逐漸達(dá)到熱穩(wěn)定的定子通風(fēng)溝出口速度與溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5所示?？煽闯?，兩端齒壓板風(fēng)速明顯高于鐵心中部風(fēng)速，鐵心中部風(fēng)速較均勻，齒壓板風(fēng)速與鐵心中部平均風(fēng)速之比為3.23，試驗(yàn)結(jié)果為3.46，與計(jì)算結(jié)果吻合。

表5 定子通風(fēng)溝出口速度與溫度試驗(yàn)數(shù)據(jù)

注： 進(jìn)口風(fēng)溫度為24.1℃

鐵心中部風(fēng)溝出風(fēng)溫度高于兩端齒壓板的出風(fēng)溫度2℃，結(jié)合進(jìn)口溫度來看，齒壓板風(fēng)路來風(fēng)基本沒被加熱，還是冷風(fēng)，說明其帶走的熱量并不多。

5 改進(jìn)建議

對(duì)齒壓板結(jié)構(gòu)仔細(xì)分析后發(fā)現(xiàn)，其短路效應(yīng)原因有： (1) 冷卻風(fēng)不經(jīng)過轉(zhuǎn)子，路徑較短；(2) 壓 圈內(nèi)圓與繞組之間有約10mm的空隙，冷卻風(fēng)直接從此空間經(jīng)過，繞過了風(fēng)阻較大的齒部空間。齒壓板結(jié)構(gòu)軛部讓開區(qū)域如圖11所示。

圖11 齒壓板結(jié)構(gòu)軛部讓開區(qū)域

將此軛部區(qū)域封閉后，進(jìn)行了通風(fēng)計(jì)算，與封閉前工況比對(duì)結(jié)果如表6所示。

表6 軛部封閉前后計(jì)算對(duì)比值

由表6可知，齒壓板風(fēng)路全開且封閉軛部空間與半開兩種措施對(duì)風(fēng)路影響基本接近。齒壓板風(fēng)路半開同時(shí)封閉軛部空間后，齒壓板風(fēng)路與中間通風(fēng)溝流量分配基本一致，此是分配最為合理的結(jié)構(gòu)。

基于上述計(jì)算與分析，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)提出以下優(yōu)化措施：

(1) 使用絕緣墊堵住繞組與壓圈的軛部空間，調(diào)節(jié)風(fēng)路的同時(shí)防止繞組與壓圈碰擦。

(2) 減小齒壓板風(fēng)路空間，將圖2中撐片高度減半或厚度增加可達(dá)到這一目的，但這會(huì)導(dǎo)致鐵心兩側(cè)壓緊力不夠齒間散開?？稍邶X壓板結(jié)構(gòu)不變的情況下，加上一個(gè)高度為5～6mm的封閉圓環(huán)，增大通過的流動(dòng)阻力，加工工藝簡(jiǎn)單，同時(shí)避免齒間散開。齒壓板加圓環(huán)如圖12所示。

圖12 齒壓板加圓環(huán)

6 結(jié) 語

導(dǎo)風(fēng)板取消后，齒壓板通路導(dǎo)致了電機(jī)本體風(fēng)路短路，電機(jī)整體風(fēng)路阻力變小，總體流量增大，這可能會(huì)造成一種假象，即電機(jī)風(fēng)阻特性比預(yù)期的小。電機(jī)最終產(chǎn)生的流量由電機(jī)本體壓降、冷卻器阻力、系統(tǒng)損失各所占比例與所配風(fēng)機(jī)綜合確定。電機(jī)本體風(fēng)路短路效應(yīng)造成的最大影響是流量分配不合理，從齒壓板過來的大量冷風(fēng)沒有充分發(fā)揮冷卻作用。

電機(jī)取消導(dǎo)風(fēng)板后，應(yīng)采取措施避免齒壓板的短路效應(yīng)，保證電機(jī)內(nèi)部合理的冷卻風(fēng)量分配。

【參考文獻(xiàn)】

[1] 丁舜年.大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻[M].北京： 科學(xué)出版社,1992.

[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,2004.