某新型隐极同步电动机流场计算与分析

摘要：

为了得到某变频调速隐极同步电机对应的通风结构内流体流动与传热的特点，建立1/8整机结构的三维流场物理模型，基于计算流体动力学原理，采用有限体积法对流体场控制方程进行数值模拟，可以得到电机内不同通风段各通道内空气流量、速度和压力分布特点。结果表明，转子端部采用弧段进风、直段补风布置时，在转速分别为3 120 r/min、4 800 r/min时，进入定、转子的风量分配比率并无明显变化，风路最长的槽弧段绕组内冷风量最少，应注意该处绕组温度是否超温。为电机设计通风系统提供参考。

关键词：隐极同步电动机；三维流场；数值模拟；计算流体动力学；直段补风

DOI：10.15938/j.emc.2017.10.007

中图分类号：TM 311

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2017）10-0047-07

随着经济和科技的迅猛发展，电机的需求日益增加。随着电机容量增大，发展高效、可靠的冷却技术显得尤为重要[1]。一旦电动机在工作过程中温升过高，不但会降低电动机的使用寿命，降低电动机运行的经济性，严重时还会使电动机毁坏。因此，采用准确的三维流场及温度场計算方法，对电动机运行中涉及的流动传热过程进行研究十分必要。 通过对电动机进行合理建模计算，获得电动机内部冷却介质准确的流场、温度场，确定峰值温度及位置、流量分布和温度分布，进行通风道结构优化设计，从而降低电动机的峰值温度，可提高电动机运行的可靠性。

隐极同步电动机的定转子结构与空冷汽轮发电机的定转子结构相近，所以通风冷却研究方法相同[1]。对电机定子、转子通风研究国外起步较早，虽然国内起步相对较晚[2]，但也取得了一定的成果。文献[3]采用数值模拟（computational fluid dynamics，CFD）方法针对TEFC电机端部区域通风结构进行了数值模拟，得出流动状态的剧烈变化显著影响着电机的温度分布；文献[4]采用CFD方法，针对感应电机内的流场及温度场进行了计算，所得到的计算结果与实验结果相吻合；文献[5]针对同步电机，采用热网络和CFD相结合的方式，对其通风系统、损耗及温度分布进行了研究分析；文献[6]等以某电机为例，研究了气隙内部流场，并对电机气隙流场研究进行了综述；文献[7]采用等效风路法对发电机进行了热优化，找到了冷却效果较好的流动结构，虽然采用这种分析方法计算速度快，但对主要传热路径精确建模难度较大；文献[8]针对发电机，采用CFD方法，对整机1/2模型进行了二维流动分析；文献[9]采用等效风路法和CFD方法，对大型同步电机通风系统进行了计算，将两结果进行对比分析，研究结果对电机的优化设计具有很重要的意义；文献[10]建立了某电动机的定子通风系统三维实体模型，应用CFD进行数值分析，结果为该电动机安全运行提供了重要的技术支持；文献[11]针对同步电动机，采用有限元方法，计算了转子三维温度场；文献[12]、[13]采用CFD方法研究了端部风口布置对空冷汽轮发电机转子温度场的影响，并针对同步电机转子最长风路的6号槽进行了计算研究；文献[14]采用CFD方法，对空内冷发电机转子进行了计算分析，提升了发电机的冷却效果；文献[15]采用CFD方法，对隐极同步电动机通风系统流场进行了研究，得到了电动机内部空气流速、流量分布的特点；文献[16]采用整体通风计算、CFD及模拟实验三种方法，对电动机进行了通风冷却系统研究及优化，为研发更优的电动机做铺垫；文献[17]、[18]采用CFD模拟方法，对发电机进行了通风冷却系统温度场研究，为设备研发提供理论依据。

本文以电机制造厂家自主研发的某台西气东输支线管道用变频调速13 MW隐极同步电动机为研究对象，建立定转子一体化的通风系统三维物理模型，基于CFD原理，对流场控制方程进行求解计算，分析通风系统内流体流动速度、压力等分布特点，为定转子温升计算奠定基础。目前，文献中研究的多是对同步电动机的定子或转子的单独计算域流场分析，对于转子采用一路半通风方式的整机八分之一区域隐极同步电动机流场特点研究鲜见报道。

1通风系统介绍及模型建立

13 MW变频调速隐极同步电动机转子布置24个槽，转子端部和轴径向段采用空内冷，端部槽间采用外部空冷，本体的直副槽段布置11个单条径向风沟，定子沿圆周方向均匀布置60个槽，通过冷却空气带走发热部件的热量，达到降低温升的目的。

冷却空气由对称安装在电动机主轴上的轴流风扇吸入升压后，分为三路流动：一路由转子副槽和端部弧段进风口及12个风路较长槽的端部直端补风口进入转子内部冷却风道，从转子槽楔出风口流出，进入气隙；一路直接进入气隙沿轴向流动，与转子出来的冷却空气汇合，经压指风沟及定子铁心径向通风沟流出；一路冷却定子端部各部件后流向定子铁心背部。最终这三部分空气在铁心背部汇合后进入冷却器。

整个电动机内，内部流场是一个整体，不仅定转子间的空气流动相互作用，其他各个结构也不可小视地影响着流场内的压力、流速、流量等物理量。因此，为全面了解电动机内的流场特性，必须同时兼顾定转子及其他辅助结构周围的空气流动特性，理应提出13 MW隐极同步电动机定转子流场一体化分析方案。考虑电动机结构的左右对称性和流动沿周向的周期性，为使计算结果准确且计算域模型精简，因此选取整机流场模型的1/8（轴向 1/2、周向 1/4）作为计算域物理模型。利用Gambit软件建立的三维流场物理模型见图1。模型的坐标原点位于中心对称面处转子主轴的几何中心上，计算域处于Z轴的负方向。模型中转子周向包括6个槽风路、轴向为半个轴向段，定子包括轴向10个半定子风沟，周向15个定子槽风路，定子端部线棒、绑绳、绑环所在位置周围的风路均有体现。

此流场计算域模型可分为静止流体区、旋转流体区两大部分。静止流体区包括：风扇后入口空气区、定子绕组空气区、定子背部空气区、定子铁心径向通风沟、压指空气区、定子铁心下空气区和气隙；旋转流体区（如图2）包括：转子1至6号槽内部空气区、转子端部外冷空气区和转子转轴与端部间空气区。在图2中可清晰看出端部弧段、端部直段、轴径向段及副槽段的位置。

为说明转子部分一路半通风特点并为后续分析方便，图3给出了局部结构及监测位置标号。每个转子槽的每匝绕组均有一进风口，共有12个进风口，向心排列，根据所在位置的半径大小标号为1至12，1号所处位置半径最大，即顶匝，绕组较长的4～6号槽布置补风口，其中进风口位于端部弧段，补风口位于端部直段，端部轴径向段通风出口为槽楔出风口1至3号，副槽段冷却出风口为4至9号，见图2，监测位置及其标号见图3。

2数学描述及求解

2.1数学描述

选用多重参考系，针对电机内部定转子中的冷却空气稳态流动，建立基本守恒定律所对应的控制方程，即质量和动量守恒方程，其通用控制方程为

div（ρu）=div（Γgrad）+S。（1）

式中：为通用变量，可代表u、v、w等求解变量；Γ为广义扩散系数；S为广义源项。

此外，还需增加湍流流动输运控制方程，采用标准k-ε两方程模型[19]。

2.2求解条件及方法

仅研究空气流场的稳态流动，忽略重力影响，因马赫数小于0.7，且大部分静止区域马赫数都很小，空气视为不可压缩流体，经多次试算，电机中空气处于湍流流动状态。

计算域模型的坐标原点位于中心对称面处转子主轴的几何中心上，取风扇后所在面为空气入口，冷却器的空气入口所在面为空气出口，本变频调速电机可在3 120 r/min、4 800 r/min及5 040 r/min三种转速下工作，本文仅研究前两种转速时的两转速下的流场特点，此时计算域空气入口表压力分别为：4 412.9 Pa、9 766.9 Pa，出口表压力分别为：140 Pa、280 Pa；电动机的中心对称面设置为对称边界，气隙的0°和90°边界设置为周期性边界，旋转方向依右手定则沿Z轴正方向旋转，并根据实际情况设置旋转壁面，其余边界面均为默认壁面； 电动机内部流体与固体壁面交界处均采用耦合对流边界，对流换热系数由软件自动计算。在近壁面区采用标准壁面函数法进行处理，y+满足标准壁面函数要求。方程离散时对流项采用二阶迎风格式，方程组采用分离、隐式求解，压力速度耦合选用SIMPLEC算法，获得定转子三维稳态湍流流动计算独立收敛解。

3计算结果及分析

3.1电机内部流量分布分析

通过CFD数值模拟，获得电动机通风系统内部冷却空气三维流场数据。表1为由计算域模型数值计算结果整理得出的风量分配統计表，该数据是电动机设计中的重要数据。由表得出：转速为3 120 r/min工况下，进入电动机内部总风量为17.17 kg/s，其中进入转子风量为1.24 kg/s，占电动机总风量的7.22%，与转轴半径较大、转子布置32槽的220 MW大型空冷汽轮发电机相比，转子风量比减少很多[19]，其他两路汇合后进入定子的风量为15.93 kg/s，占据总风量的92.78%；转速为4 800 r/min额定工况时，进入电动机内部的总风量较转速为3 120 r/min工况下的结果有很大的提高，约提高54.8%；由此可见，转速加大，进入定子、转子的风量分配比率并无明显变化，电机中空气流动所遵守的各控制方程不变，受到的旋转科氏力、压力等之间的制约关系不变；另外，风扇后入口压力增大，转子旋转吸风能力也大大提高，致使风扇后进入电动机的总风量加大。

3.2电机内部压力分布分析

图4为电机中包含转子一个槽端部及本体的中心截面处压力分布等值线云图。由图可以看出电机整机中各处的压力分布特点，在定子端部绕组下方，压力接近风扇后入口压力，上方压力降低；冷却空气通过挡风板时，流通截面积急剧减小，空气流动风阻加大，能量损失严重，压力降低明显；转子内部由于受到旋转影响，压力较高；副槽入口前压力与风扇后入口压力相当，进入副槽时，由于流通截面积减小压力迅速增大，副槽段压力达到最大值16 548 Pa；定子铁心径向通风沟内部空间狭小，压力较小；到达定子铁心背部，压力逐渐降低至280 Pa。局部由于流通截面积及风阻急剧变化的影响，会出现涡流，因此在部分涡流区会出现负压现象。

3.3电机内整体速度分布分析

为清晰示出电动机内部三维流场特性，以转速为4 800 r/min额定工况下的流场为例进行分析，图5为计算域模型中一轴向截面的空气速度分布等值云图。

由图5可知：风扇后入口的冷却空气速度为53～64 m/s，然后分流，在端部空气区中，空气流动的空间较大，绕组上方速度逐渐减小至11 m/s左右，机座空间内流速的变化梯度很小；进入定子风沟的冷却空气速度较气隙急剧减小，但各个径向通风沟内风速差异较小；进入转子的风量虽小，但由于旋转作用，空气速度在75 m/s以上，在半径较大的转子槽楔通风孔中，空气速度较高，出风口风速达到了203～214 m/s，与气隙的空气发生旋转射流汇合后，进入定子铁心径向通风沟中，风速降低；最终汇合在定子背部的冷却空气速度降低明显，数值为21 m/s左右。定子铁心径向通风沟是为了增强对流换热保证定子绕组不超温而设计，因此，定子铁心径向通风沟内部风速特性受到设计者非常关注[2]。

3.4转子多槽内空气量分布分析

为了得到一路半通风转子多槽内部的风量分配特性，针对进风口、补风口及槽楔出风口进行风量监测十分必要。图6为1至6号槽的进风口质量流量监测结果，经整理得出该对比结果，图中横坐标为进风口位置标号N，纵坐标为质量流量。由图可见：6个槽12个进风口的规律趋于一致，4至6号槽由于风路较长设置有补风口，4至6号槽各个进风口质量流量的总和与1至3号槽各个进风口质量流量的总和相比较，约相差44.3%左右；单个槽进风口质量流量随所处位置发生变化，整体而言，由于旋转作用，随着所在位置的旋转半径减小而呈现下降趋势，与理论分析相一致；由于轴径向段处风道的变化，四个进风口为一个区，1～4、5～8、9～12进风口进入的空气分别汇聚到1、2、3号出风口流出转子，见图3，这种几何结构变化对各个进风口会产生一定的影响，导致流量分布规律呈现出波动的三个区；在每个区内伴随所在位置旋转半径的递减，流量也呈递减趋势：以3号槽为例，流量由0.001 77 kg/s递减至0.001 41 kg/s，又由0.001 49 kg/s递减至0.001 19 kg/s，最后由0.001 46 kg/s递减至0.001 1 kg/s。根据每个槽的12个进风口风量总和，得到每个槽端部弧段进风总量最多的是1号槽，约为0.017 9 kg/s，6号槽最少为0.009 03 kg/s。由此可知，隐极同步电动机转子端部弧段进风直端补风布置时，风路最长的槽弧段绕组内冷风量最少，应注意该处绕组温度是否超温。

由补风口进入的冷却空气的温度与风扇后入口温度相差不多，與前方进风口中流到此处的空气混合后，使空气温度降低、传热温差增大，使得铜绕组与空气之间的对流散热增强，从而达到降低端部直段的铜绕组温升、减少轴向温差、且小于绝缘材料允许的最大温升的目的。图7为4至6号槽补风口质量流量监测结果，每槽有6个补风口，每槽的转子半径较大处的1号补风口补风量最大，约0.002 0 kg/s；2号至4号逐渐减小；5号补风量高于4号，提升至0.015 5 kg/s左右，6号又减小。由于补风口所处的半径位置和转子旋转的作用，补风口补风量呈现减小趋势；但由于各个补风口所属的风道长度及位置不同，5、6号出现补风量增大现象。综合进风口和补风口数据，可以得出流道最长的6号槽进入的冷却空气量最少，散热能力为最差。

图8为各槽槽楔出风口质量流量监测结果。 1至3号出风口处于轴径向段，1至3号槽该处的出风口出风量来自端部弧段进风，4至6号槽的出风量来自端部弧段进风和端部直段的补风；其中1号槽楔出风口出风量最大，2、3号减小，原因是旋转半径逐渐减小；4至9号出风口处于副槽段，风量均来自副槽进风。6、5、4槽在副槽段相同出风口处风量逐渐减小，1、2、3槽相同出风口处的出风量在副槽段基本相同，转子每槽副槽段沿轴向的布置的槽楔出风口风量基本相同，仅有6号槽在9号出风口的出风量有明显的减少，说明副槽段各风沟中沿轴向冷却风量基本相同，但沿周向风量分布不同，风路较长的转子槽径向风沟中风量较大，副槽段冷却比较好。

3.5计算结果准确性分析

目前，国内外采用CFD软件Fluent对电机流场进行数值模拟的研究越来越多，计算的准确性研究国内外均有报道。本文数值模拟计算得到某新型隐极同步电机在转速3 120 r/min、 4 800 r/min时入口处的总风量分别为17.17 kg/s、26.58 kg /s，进入转子总风量分别为：1.24 kg /s、1.93 kg/s；与工厂采用经验法计算结果比较，误差在10%以内，计算结果较准确。

4结论

本文针对13MW隐极同步电动机，按照计算条件，对该电动机的1/8流场三维物理模型进行了数值模拟计算，得出了定转子一体化流场的分布特点，结论如下：

1）在两种运行工况下，空气经风扇增压后，大部分冷却空气进入定子区域，进入转子的风量只占电机总风量的7%左右；在转子副槽段压力达到最大值；

2）隐极同步电动机转子端部弧段进风直端补风布置时，风路最长的槽弧段绕组内冷风量最少，应注意该处绕组温度是否超温；副槽段各风沟中沿轴向冷却风量基本相同，但沿周向风量分布不同，风路较长的转子槽径向风沟中风量较大，副槽段冷却比较好，无补风口的槽在副槽段各出风口风量沿轴向和周向的风量基本相同。

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（编辑：刘素菊）

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