自冷式永磁電機(jī)冷卻風(fēng)扇的設(shè)計(jì)

張景峰

（沈陽航天新光集團(tuán)有限公司，遼寧 沈陽 110043）

1 引言

永磁電機(jī)的顯著特點(diǎn)之一就是高效率，其冷卻結(jié)構(gòu)是非常重要的一個(gè)部分。對于自冷式永磁電機(jī)來說，如果在其冷卻結(jié)構(gòu)中所設(shè)計(jì)的風(fēng)扇不合理，不但會(huì)影響電機(jī)溫升，還可能會(huì)額外增加電機(jī)的通風(fēng)損耗，從而影響電機(jī)效率，所以為保證其合理溫升和效率，就應(yīng)設(shè)計(jì)出與該電機(jī)配套的冷卻風(fēng)扇。本文以一臺190kW永磁同步電機(jī)作為研究對象，將解析計(jì)算與流場仿真相結(jié)合，設(shè)計(jì)出合適的冷卻風(fēng)扇。

2 冷卻風(fēng)扇的尺寸設(shè)計(jì)

永磁電機(jī)冷卻風(fēng)扇尺寸的設(shè)計(jì)主要包括確定內(nèi)、外徑D1和D2，風(fēng)扇葉片的寬度b，傾角β和葉片數(shù)N。本次風(fēng)扇設(shè)計(jì)采用徑向式，所以傾角β為90°。

具體設(shè)計(jì)的解析過程如下：

表1 冷卻風(fēng)扇外形尺寸

（1）首先根據(jù)190kW永磁同步電機(jī)的尺寸，初選出冷卻風(fēng)扇的葉輪外徑D2。對于軸向通風(fēng)的冷卻系統(tǒng)，D2應(yīng)盡可能選取最大可能值，這是為了產(chǎn)生較高的風(fēng)壓。

（2）對于風(fēng)扇葉片寬度b的設(shè)計(jì)，本文將《Y2電機(jī)手冊》和《電機(jī)設(shè)計(jì)》這兩書中介紹的設(shè)計(jì)方法相結(jié)合。首先初選了風(fēng)扇葉片的寬度b，根據(jù)《Y2電機(jī)手冊》中的公式（1）可以計(jì)算出最大風(fēng)量Qm，其次利用了《電機(jī)設(shè)計(jì)》上的公式（2）反推出了風(fēng)扇葉片的寬度b的值，并且將其與初選的b值進(jìn)行比對校核，通過調(diào)節(jié)初選值使校核的差值達(dá)到最小。

式中：

K——考慮葉片的厚度所占的空間使進(jìn)風(fēng)的面積減少而引起的系數(shù)，一般為0.92；

n——額定轉(zhuǎn)速。

（3）冷卻風(fēng)扇的內(nèi)徑D1的設(shè)計(jì)同樣是結(jié)合了《Y2電機(jī)手冊》和《電機(jī)設(shè)計(jì)》的設(shè)計(jì)方法，根據(jù)《Y2電機(jī)手冊》中的公式（3）首先推算出冷卻風(fēng)扇的空載靜壓h0，然后根據(jù)《電機(jī)設(shè)計(jì)》書中的公式（4）推算出風(fēng)扇葉輪內(nèi)徑的線速度。

式中，ρ為風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)空氣密度，再根據(jù)公式（5）推算出冷卻風(fēng)扇的內(nèi)徑D1。

表2 風(fēng)扇采用不同扇葉數(shù)時(shí)的風(fēng)速對比

（4）最后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式（6）確定出冷卻風(fēng)扇的葉片數(shù)量。

根據(jù)上述的設(shè)計(jì)步驟，冷卻風(fēng)扇的設(shè)計(jì)流程如圖1所示，最后的設(shè)計(jì)尺寸見表1。

3 電機(jī)的流場仿真

3.1 風(fēng)扇建模

利用Solidworks軟件對所設(shè)計(jì)的冷卻風(fēng)扇進(jìn)行三維建模，如圖2所示。

然后將永磁電機(jī)冷卻風(fēng)路建模成實(shí)體，將風(fēng)扇模型與風(fēng)路模型相配合，需要注意的是，為了避免入口和出口回流現(xiàn)象，需要將模型的入口和出口伸長一部分，如圖3和圖4 所示。

3.2 風(fēng)扇流場仿真

將建立好的模型利用gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格剖分，剖分時(shí)應(yīng)將各實(shí)體部分進(jìn)行分割再分別畫成六面體網(wǎng)格，進(jìn)而導(dǎo)入CFD軟件來進(jìn)行流場仿真。CFD即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics）是經(jīng)過計(jì)算機(jī)的數(shù)值計(jì)算和圖形顯示，對所包含的流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的計(jì)算分析。本文所采用的是CFD中的Fluent軟件，計(jì)算前的初始條件應(yīng)該為：

（1）冷卻風(fēng)扇葉片轉(zhuǎn)速為1800rpm（即電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速）。

（2）出入口設(shè)置為壓力出入口。

（3）不可壓流體。

（4）標(biāo)準(zhǔn)湍流模型。

仿真計(jì)算結(jié)果如圖5～圖9所示。

經(jīng)計(jì)算流入風(fēng)扇的平均風(fēng)速為5.477m/s，流出風(fēng)扇的平均風(fēng)速為3.780m/s。

經(jīng)計(jì)算散熱筋處空氣平均流速為16.305m/s。

上述為該尺寸條件下16扇葉的流場仿真計(jì)算結(jié)果，實(shí)際風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)葉片表面會(huì)存在磨擦損耗和具有一定厚度，因此如果葉片數(shù)過多會(huì)造成過流面積過小，片間磨擦損耗過大，影響效率，所以本文又進(jìn)行了9扇葉和12扇葉的流場仿真，模型如圖10所示，仿真結(jié)果見表2。

由表2可知，隨著扇葉數(shù)增加，反而造成了平均風(fēng)速下降，這是不利于電機(jī)冷卻的，而且還會(huì)造成葉片間的摩擦損耗加大，從而影響到風(fēng)扇效率，所以該電機(jī)模型應(yīng)選取9扇葉為最終的設(shè)計(jì)方案。

結(jié)論

本文以一臺190kW自冷式永磁同步電機(jī)為例，將解析法和流場仿真相結(jié)合，闡述了風(fēng)扇設(shè)計(jì)的具體流程，設(shè)計(jì)出了適用于該電機(jī)的徑向式風(fēng)扇，且對比了不同扇葉數(shù)時(shí)風(fēng)速的變化，最終確定了設(shè)計(jì)方案。

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