韓洪兵

摘 要針對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)迫風(fēng)冷電機(jī)溫升試驗(yàn)通風(fēng)條件存在的不足，對(duì)電機(jī)溫升和效率進(jìn)行分析，并基于CFD流體力學(xué)計(jì)算軟件Fluent對(duì)電機(jī)表面風(fēng)速進(jìn)行模擬分析計(jì)算，同時(shí)測(cè)量實(shí)際風(fēng)速，然后設(shè)計(jì)一種電機(jī)試驗(yàn)通風(fēng)裝置，提高通風(fēng)條件的一致性，減少測(cè)量誤差。

【關(guān)鍵詞】軌道交通風(fēng)機(jī)用電機(jī) 強(qiáng)迫風(fēng)冷 通風(fēng)條件 溫升試驗(yàn) 電機(jī)效率

軌道交通風(fēng)機(jī)有相當(dāng)部分采用軸流風(fēng)機(jī)或軸向離心風(fēng)機(jī)，其特點(diǎn)都是其驅(qū)動(dòng)電機(jī)未自帶冷卻風(fēng)扇，電機(jī)安裝在風(fēng)筒中（見(jiàn)圖1），利用風(fēng)機(jī)自身產(chǎn)生的風(fēng)量和壓力對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行散熱和冷卻。而此類電機(jī)在進(jìn)行電機(jī)型式試驗(yàn)時(shí)就必須進(jìn)行通風(fēng)（見(jiàn)圖2），否則溫升試驗(yàn)通常都不合格，而且也與實(shí)際使用工況不符。溫升試驗(yàn)的重要性，體現(xiàn)在判定電機(jī)是否合格的關(guān)鍵指標(biāo)和電機(jī)效率的計(jì)算。但按傳統(tǒng)方式進(jìn)行通風(fēng)，風(fēng)速調(diào)節(jié)難度大，時(shí)間長(zhǎng)，存在重復(fù)性差、誤差大的缺點(diǎn)，是電機(jī)兩側(cè)受風(fēng)，與實(shí)際的圓環(huán)狀風(fēng)不符合，同時(shí)設(shè)計(jì)者給出的試驗(yàn)風(fēng)速通常為風(fēng)機(jī)風(fēng)筒的平均風(fēng)速，而不是電機(jī)表面的實(shí)際風(fēng)速，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)中8.1.2對(duì)電機(jī)試驗(yàn)通風(fēng)未做明確規(guī)定或很難實(shí)現(xiàn)，因此需進(jìn)行分析和計(jì)算，同時(shí)設(shè)計(jì)一種電機(jī)試驗(yàn)通風(fēng)裝置，提高通風(fēng)條件的一致性，減少測(cè)量誤差。三種風(fēng)速下效率曲線對(duì)比如圖3。

1 電機(jī)效率測(cè)量原理和計(jì)算

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T1032-2012，溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)決定了規(guī)定溫度，規(guī)定溫度=斷電時(shí)刻繞組溫度—環(huán)溫+25℃，按常用效率測(cè)試方法—B法（測(cè)量輸入和輸出功率的損耗分析法）：定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗、轉(zhuǎn)差等需換算到規(guī)定溫度下，規(guī)定溫度過(guò)高的話換算的定、轉(zhuǎn)子銅耗就高，輸出功率P2就會(huì)變小，即效率就會(huì)減小。反之亦然，關(guān)系到電機(jī)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，從以上看出溫升試驗(yàn)時(shí)的通風(fēng)條件模擬的重要性。

1.1 試驗(yàn)溫度下效率計(jì)算

PST=P1-Pmech；Pmech=T×n/9.549；PL=PST-（PS+Pfw+PFe+Pcu1+Pcu2）；PL=AT2+B；Pcu2=（P1-Pcu1-PFe） ×s；Pcu1= 1.5I12R1×（K1+θt）/（K1+θ1）；s=（ns-n）/ns；ns=60×f/p；PS=AT2；其中Pfw、PFe由空載試驗(yàn)確定。

負(fù)載試驗(yàn)中測(cè)量6個(gè)負(fù)載點(diǎn)（0.25PN-1.5PN），對(duì)PL進(jìn)行線形回歸分析，并計(jì)算出斜率A和截距B，若系數(shù)γ≥0.95，則說(shuō)明負(fù)載試驗(yàn)有效，誤差在范圍內(nèi)。再基于PS與T2成正比的關(guān)系，求出各負(fù)載點(diǎn)的雜散損耗PS。

1.2 規(guī)定溫度下效率計(jì)算

η=100%×P2/P1；P2=P1-PT；PT=PS+Pfw+PFe+Pcu1S+Pcu2S；Pcu1s=1.5I12R1×（K1+θs）/（K1+θ1）

Pcu2=（P1-PFe-Pcu1s）×ss；ss=s×（K2+θs）/（K2+θt）；θs=θw+25-θb

在試驗(yàn)溫度下求出負(fù)載點(diǎn)的雜散損耗PS、Pfw、PFe，將定、轉(zhuǎn)子銅耗換算到規(guī)定溫度下即Pcu1s和Pcu2，P1減去所有損耗之和PT即為P2，最后計(jì)算出效率η。

2 基于CFD流體力學(xué)計(jì)算軟件Fluent對(duì)電機(jī)表面風(fēng)速進(jìn)行模擬分析計(jì)算

2.1 風(fēng)機(jī)性能一維校核計(jì)算

葉輪尺寸如下：葉片進(jìn)口直徑D1；葉片出口直徑D2；葉片安裝角β1A和β2A；葉片出口寬度b2；葉片進(jìn)口寬度b1；葉片數(shù)量n片；葉輪圓周速度；葉輪出口氣流子午速度

；

環(huán)流系數(shù)

；無(wú)限多葉片理論全壓

按照預(yù)計(jì)風(fēng)機(jī)效率65%來(lái)計(jì)算，則風(fēng)機(jī)理論全壓為：

按照已經(jīng)生產(chǎn)的軸向離心風(fēng)機(jī)環(huán)流系數(shù)來(lái)計(jì)算理論壓力值，則環(huán)流系數(shù)為0.8865，風(fēng)機(jī)全壓效率按照仿真效率0.65來(lái)計(jì)算，則得到風(fēng)機(jī)的理論全壓為：

2.2 風(fēng)機(jī)性能三維校核計(jì)算

2.2.1 葉輪速度、壓力計(jì)算

從圖7可以看出對(duì)電機(jī)外表面而言，非傳動(dòng)端機(jī)座外表面風(fēng)速最大，越靠近傳動(dòng)端越小，甚至為零，另非傳動(dòng)端中心風(fēng)速為零，因此實(shí)際為圓環(huán)狀風(fēng)冷卻電機(jī)，而試驗(yàn)通風(fēng)時(shí)應(yīng)予以考慮。

2.2.2 風(fēng)機(jī)內(nèi)部風(fēng)速計(jì)算

見(jiàn)圖6。

3 電機(jī)表面風(fēng)速的測(cè)量

3.1 風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)裝置

根據(jù)GB/T1326-2000中規(guī)定的D型試驗(yàn)裝置（管道進(jìn)口和管道出口）進(jìn)行風(fēng)機(jī)性能試驗(yàn)，將風(fēng)機(jī)調(diào)至額定工況點(diǎn)。

3.2 風(fēng)速測(cè)量

用皮托管測(cè)出風(fēng)筒某截面的動(dòng)壓Pd后用公式計(jì)算風(fēng)速v：；

其中：v—風(fēng)速（m/s）； Pd—?jiǎng)訅海≒a）；ρ— 氣體密度（kg/m3）

風(fēng)機(jī)性能在測(cè)量時(shí)，在同一截面上有風(fēng)筒中心至風(fēng)筒內(nèi)壁要測(cè)24點(diǎn)的速度，求其平均值作為該截面的氣體平均速度。而測(cè)量電機(jī)表面風(fēng)速需在風(fēng)筒上加工測(cè)量孔，在電機(jī)表面直接測(cè)量動(dòng)壓，測(cè)量點(diǎn)為8點(diǎn)，再計(jì)算出風(fēng)速。 將風(fēng)機(jī)調(diào)整至額定工況后，用皮托管測(cè)量截面的動(dòng)壓，將空氣密度換算到規(guī)定大氣壓下，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)與Fluent計(jì)算的結(jié)果基本一致，因此后續(xù)的電機(jī)試驗(yàn)可以借采用模擬計(jì)算的結(jié)果來(lái)控制風(fēng)速。

4 電機(jī)試驗(yàn)通風(fēng)裝置

4.1 設(shè)計(jì)

研究一種通風(fēng)簡(jiǎn)便的電機(jī)試驗(yàn)通風(fēng)裝置和科學(xué)有效的方法進(jìn)行溫升試驗(yàn)，減小溫升試驗(yàn)的不確定度。試驗(yàn)通風(fēng)裝置（見(jiàn)圖7）由變頻器、離心通風(fēng)機(jī)、過(guò)渡管道、風(fēng)道組成，其中變頻器調(diào)頻控制通風(fēng)機(jī)流量和壓力，過(guò)渡管道用來(lái)連接通風(fēng)機(jī)和風(fēng)道，風(fēng)道靠近被試電機(jī)，風(fēng)道內(nèi)設(shè)置格柵使沿風(fēng)道內(nèi)壁旋轉(zhuǎn)的氣流調(diào)整為平穩(wěn)的軸向氣流，風(fēng)道內(nèi)部設(shè)置可更換的圓形擋板，使吹向電機(jī)的氣流為圓環(huán)狀，符合模擬圖6，在風(fēng)道出風(fēng)處設(shè)置3-4點(diǎn)測(cè)量風(fēng)速，并換算到規(guī)定大氣壓下，再進(jìn)行溫升試驗(yàn)。

4.2 電機(jī)溫升和負(fù)載試驗(yàn)一致性的驗(yàn)證

對(duì)同一臺(tái)電機(jī)分別進(jìn)行3次溫升和負(fù)載特性試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1，前后軸承溫升下降是由于軸承進(jìn)過(guò)多次試驗(yàn)后內(nèi)部油膜已建立，摩擦損耗降低，使前后軸承溫升下降。繞組溫升基本在60K左右，而通風(fēng)裝置主要用于電機(jī)定子繞組的冷卻，規(guī)定溫度和效率結(jié)果基本一致，證明該通風(fēng)裝置提高了試驗(yàn)的一致性，減少測(cè)量誤差。

5 結(jié)論

本文針對(duì)傳統(tǒng)強(qiáng)迫風(fēng)冷電機(jī)溫升試驗(yàn)通風(fēng)條件存在的不足，對(duì)電機(jī)溫升和效率進(jìn)行分析，并基于CFD流體力學(xué)計(jì)算軟件Fluent對(duì)電機(jī)表面風(fēng)速進(jìn)行模擬分析計(jì)算，同時(shí)測(cè)量實(shí)際風(fēng)速，然后設(shè)計(jì)了一種電機(jī)試驗(yàn)通風(fēng)裝置，并通過(guò)多次加以驗(yàn)證，證明試驗(yàn)裝置提高通風(fēng)條件的一致性，減少了測(cè)量誤差。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

株洲聯(lián)誠(chéng)集團(tuán) 湖南省株洲市 412001endprint