YKK560- 8 型异步电动机通风冷却系统分析

吴云祥

（东方电气集团东方电机有限公司，四川德阳 618000）

1 概述

YKK 空-空冷却型电动机是大中型异步电动机中的非常重要的衍生派系。大中型异步电动机在缩小体积、减轻重量的同时，有提高效率、降低噪声的巨大需求，因此必须通过十分精确的通风冷却的计算分析技术，从而设计合理的冷却结构及高风扇的效能，用较少的轴功率能取得较好的冷却效果，以提高电动机的效率[1]。异步电动机常用的冷却风路结构有三种：(1)轴向通风;(2)径向通风;(3) 轴-径向混合通风。采用不同的通风冷却方式, 定子及转子各个地方温度分布各不相同。

YKK560-8 异步电动机是我公司为某电厂配套电动机，本文通过对整个电动机通风系统的CFD 仿真分析，得到了电动机定转子温升特性、内外风扇工作特性以及冷却器温升特性，并与模型试验结果进行对比。

2 通风计算

2.1 通风冷却系统

YKK560-8 异步电动机采用轴-径向混合通风结构，通风冷却系统如图1 所示。其中蓝色箭头为发电动机外风路，红色箭头为电动机内风路。对于电动机内风路，从冷却器流出的冷却空气主要经由一侧的定子线圈端部进入转子支架、转子径向通风道、气隙、定子径向通风道、定子铁心背部风道、定子另一侧端部线圈，最后通过离心风扇排出进入冷却器进行再次冷却。

图1 电动机通风冷却系统

2.2 数学模型

电动及通风冷却系统内的流体流动与传热满足以下方程。

2.2.1 质量守恒方程

在求解发电机通风冷却系统流体流动物理模型时，需要利用质量守恒方程来进行控制，对于不可压缩流体的质量守恒方程[2]为：

2.2.2 动量守恒方程[2]

2.2.3 湍流k-ε 方程[3]

当流体不可压缩且稳定流动时，采用标准k-ε 方程[9]，其通用方程为：

2.2.4 能量守恒方程

在求解温度过程中，还需要满足能量守恒方程[4]：

2.2.5 三维热传导方程

式中：kx，ky，kz分别是x、y、z 方向的导热系数，W/（m·K）；T 为温度；q 为内部热源密度，W/m3。

2.3 物理模型

根据对称性原则，对于电动机的电机本体取周向1/16的定子铁心，定子线圈，槽楔，槽钢，转子铁心，转子线圈，转子支架等作为流场和温度场分析研究对象。

3 内外风路计算结果

3.1 外风路风阻特性分析

空空冷却器外风路的风阻特性即为电机外风路风阻特性，如图1 所示。

外风扇的工作点可以通过外风扇的工作特性曲线与空空冷却器外风路的风阻特性曲线求交点的方式得到，即如图2 所示。由图可知，外风扇的工作点为（2.8m3/s，300pa），此时外风扇的效率约为35.5%，外风扇功率为2.6 kW。

图2 外风扇工作点

3.2 内风路风阻特性分析

内风扇的工作点可以通过内风扇的工作特性曲线与电机内风路的风阻特性曲线求交点的方式得到，即如图3 所示。由图可知，内风扇的工作点为（1.35m3/s，510pa），此时内风扇的效率约为33.1%，内风扇功率为2.3 kW。

图3 内风扇工作点

4 冷却器温升计算

通过空冷却器计算模型，用Fluent 可以进行冷却器内外风路的温度计算。内风路进口温度利用对数温差法、冷却器传热方程和电机传热方程来计算，见表1。

表1 冷却器各部位平均温度

5 电动机温升计算

根据电动机电机本体计算模型进行电机温升计算，以内风扇的工作点以及冷却器内风路出口温度作为电动机本体温升计算的边界条件。计算得到在电动机进口温度为55.0℃，进口风量为1.35m3/s 时，由于从冷却器出来的冷却空气主要经由进口侧定转子线圈端部进入转子支架、转子径向通风道、气隙、定子径向通风道、定子铁心背部风道，最后在经过出口侧定转子端部线圈，这样就会引起定子和转子两侧的端部线圈温度有所差异。从图中可以看出，定子层间垫条的温度分布比较均匀；出口侧定转子端部线圈的温度明显高于进口侧端部线圈的温度。

6 模型试验结果

6.1 试验方案

试验包括通风试验和温升试验两部分，主要试验方案包括：

6.1.1 在750r/min、600 r/min、500 r/min、400r/min 转速下测得内、外风路风量和压力，以测量电机正常工作时的内外风路风量以及空冷器外风路和内风路阻力特性。

6.1.2 调节冷却器外风路风阻测量外风扇气动特性。

6.1.3 在额定转速、同一工况下分别测量带外风扇和不带外风扇电机输入损耗，相减得到外风扇工作损耗。

6.1.4 利用叠频法开展电机温升试验。

6.1.5 压力测量采用静压模块、风量测量采用断面平均速度法、温度测量使用热电偶。

6.2 测点布置

压力和温度测试元件主要布置在机座上部空间，详见图4。

图4 测点布置

6.3 外风扇工作点

冷却器作为一个静止的纯阻力元件，其风阻特性通过改变电动机转速（750r/min、600 r/min、500 r/min、400 r/min），测量不同转速下冷却器外风路进风量、冷却器管路两端压差获得；外风扇是旋转的压力的来源，其气动特性是通过在额定转速下改变外风路风阻，测量不同风阻条件下流经风扇流量、风扇两端的风压压差获得的；将计算和试验获得的冷却器外风路风阻特性与外风扇气动特性进行相互匹配，可以获得计算和试验条件下外风扇工作点，试验结果和计算结果的比较见图5。从图5可知，计算获得的外风扇工作点为（2.8m3/s，300Pa），试验获得的外风扇工作点为（2.4m3/s，240Pa），两者具有较好的一致性。

图5 外风扇工作点

6.4 内风扇工作点

与测量外风路阻力特性类似，在不同转速下分别在内风路进风端（电机热风腔）和出风端（电机冷风腔）测量压力以计算内风路压力降。测量和计算获得的冷却器内风路阻力特性。内风扇工作点 [试验值（1.45m3/s，452Pa）；计算值（1.35m3/s，500Pa）]。

6.5 温升结果

由于直流试验站拖动机容量有限，采用了定子叠频法开展温升试验。试验获得的主要数据见表2。表2 可见：利用叠频法获得的电机在设计工况下满载运行时最高温升为60.4K。

表2 叠频法温升试验

图6 对比了定子RTD 最高温升的模拟计算结果和试验结果。从图可以看出，计算值比试验值高，可能原因包括：

（1）杂散损耗大小及分配与真实情况存在差异；

（2）测温元件的布置不在最高点温度点位置；

（3）环境温度低，只有5 ℃，空气的散热能力强，和计算边界存在较大差异。

采用试验条件对应的空气热物性，重新分配定子侧杂散损耗重新计算，得到的计算结果如图6 所示，可以看出此时的模拟结果和试验值比较接近，为电动机综合物理场的进一步研究计算提供理论了依据。

图6 结果比对

7 结论

本文对整个电动机通风系统进行了CFD 仿真分析，得到了电动机定转子温升特性、内外风扇工作特性以及冷却器温升特性。研究表明：

7.1 计算获得的外风扇工作点为（2.8m3/s，300Pa），试验获得的外风扇工作点为（2.4m3/s，240Pa），两者具有较好的一致性。

7.2 计算获得的内风扇工作点为（1.35m3/s，500Pa），试验获得的内风扇工作点为（（1.45m3/s，452Pa）两者具有较好的一致性。

7.3 对定子侧杂散损耗进行重新分配、考虑不同温度下空气的散热能力以及计算边界等，使得计算得到的定子RTD 最高温升与试验测量值差异不大。

模拟结果和试验结果均能较好的吻合，为电动机综合物理场的进一步研究计算提供理论了依据。