CN203387356U - 一种基于流体动力学的改进型电机通风散热结构 - Google Patents

Abstract

一种基于流体动力学的改进型电机通风散热结构，属于电机结构设计技术领域。该散热结构将风扇附近的腹板高度降低，并在出风口附近增加通风孔。本实用新型还提供另一种改进方案，一种基于流体动力学的改进型电机通风散热结构，还增加定子通风孔直径,提高通风面积。本实用新型还提供另一种改进方案，即在改进方案二的电机通风散热结构基础上，电机通风散热结构中还采用了导流板和斗式风扇,在非传动端采用了整体风扇,并在斗式风扇的每个扇叶下方开了一个进风口。本实用新型基于流体动力学以及电磁学相结合新的思路设计改进，相比现有通风散热结构，总通风量，进口、出口风速均有显著的提高，改进后的装置散热效果更为理想，具有积极进步意义。

Description

一种基于流体动力学的改进型电机通风散热结构

技术领域

本实用新型涉及一种基于流体动力学的改进型电机通风散热结构，尤其涉及一种包含了基于流体动力学以及电磁学相结合的设计新思路的改进型电机通风散热结构，属于电机结构设计技术领域。 

背景技术

电机的通风散热结构设计与电机的温升关系极其密切。但是热量传播过程比较复杂,加上制造工艺中一些不稳定因素的影响,很难准确地对电机进行温升和通风计算；电机试验受试验手段和条件的限制,也较难准确获得电机内温度场和流场的分布状态。目前,美国商用流体动力学分析软件Fluent6.0能够模拟铁路牵引电机在稳态和瞬态等各种工况下内部流场和温度场的分布状态,对电机内空气的流动做出准确描述,对发热件和空气的热交换进行分析计算,具有网络估算法无法比拟的优点；同时可对电机的风扇冷却性能和噪声进行分析预测及结构优化。 

图1为现有电机通风散热结构示意图。其中，图中，1-出风口，2-转子铁心，3-定子铁心，4-定转子气隙，5-风扇，6-进风口。现有的电机散热结构如图1所示，采用径向不等距离心风扇结构，定、转子铁心上分别开有通风孔，冷却空气有3条通风路径，分别通过定子铁心、电机的气隙、转子铁心。通风散热结构计算：由于电机结构周期对称，选择其1/4部分作为分析对象，建立三维实体模型，计算得到，电机冷却空气总流量与通风总量不足，进口、出口风速不足；难以满足散热要求，需对通风散热结构进行改进。 

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于流体动力学以及电磁学相结合新思路设计的改进型电机通风散热结构。 

本实用新型改进的原理——电机的散热数值计算法： 

电机的通风散热一般有风扇自通风或外界强迫通风两种形式。空气作为冷却介质,在电机内作三维定常湍流流动。对此运用流体动力学分析软件Fluent6.0,采用其有限体积法中Simple算法和RNG k-ε湍流模型,使用结构化和非结构化混合网格划分技术,利用非耦合隐 式Segregated求解器进行求解计算。旋转流场模拟采用多重参考坐标系模型(MRF),边界条件为压力进出口条件,定、转子气隙滑移面参数计算用网格界面法(grid interface)。考虑分子粘滞力的影响,壁面区域采用壁面函数法处理。 

流体的三维定常湍流流动遵循以下控制方程 

连续方程： $\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂t}+\frac{\∂}{{\∂x}_1}\left({\mathrm{\ρ}}_{u1}\right)=0---\left(1\right)$

式中，ρ——流体密度， 

u₁——流体速度沿i方向的速度， 

$\frac{\∂}{\∂t}\left({\mathrm{\ρ}}_{u1}\right)+\frac{\∂}{\∂x_j}\left({\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{uiuj}}\right)=-\frac{\∂P}{\∂x_i}+\frac{\∂{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}}{\∂x_j}+{\mathrm{\ρ}}_{g1}+F_1---\left(2\right)$

式中，P——静压力， 

τ_ij——应力矢量， 

ρ_g1——i方向的重力分量， 

F₁——阻力和能源引起的其他能源项。 

其中， ${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}=\mathrm{\μ}(\frac{\∂u_1}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i})-\frac{2}{3}\mathrm{\μ}\frac{\∂u_1}{\∂x_1}{\mathrm{\δ}}_{\mathrm{ij}},$

上式中，μ是分子粘度；右边第二项是体积膨胀的结果。关于湍流动能k、湍流耗散率ε,可以通过微分方程来计算，其数学描述如下： 

$\mathrm{\ρ}\frac{\∂k}{\∂t}+\mathrm{\ρ}\frac{\∂{\mathrm{ku}}_1}{\∂x_i}=\frac{\∂}{\∂x_i}\left({\mathrm{\α}}_k{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}\frac{\∂k}{\∂x_j}\right)+G_k+\mathrm{\ρ\ϵ}---\left(3\right)$

$\mathrm{\ρ}\frac{\∂\mathrm{\ϵ}}{\∂t}+\mathrm{\ρ}\frac{\∂{\mathrm{\ϵu}}_1}{\∂x_i}=\frac{\∂}{\∂x_i}\left({\mathrm{\α}}_k{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{eff}}\frac{\∂k}{\∂x_j}\right)+C_{1\mathrm{\ϵ}}^{*}\frac{\mathrm{\ϵ}}{k}{G}_k-C_{2\mathrm{\ϵ}}\mathrm{\ρ}\frac{{\mathrm{\ϵ}}^2}{k}---\left(4\right)$

式中，μ_eff=μ+μ_t，μ_t是湍动粘度,

c_u＝0.0845，α_k＝α_ε＝1.39， 

$C_{1\mathrm{\ϵ}}^{*}=C_{1\mathrm{\ϵ}}-\frac{\mathrm{\η}(1-\mathrm{\η}/{\mathrm{\η}}_0)}{1+\mathrm{\β}{\mathrm{\η}}^3},$

C_1ε＝1.42，C_2ε＝1.68， 

$\mathrm{\η}={(2E_{\mathrm{ij}}\·E_{\mathrm{ij}})}^{1/2}\frac{k}{\mathrm{\ϵ}},$

$E_{\mathrm{ij}}=\frac{1}{2}(\frac{\∂u_i}{\∂x_j}+\frac{\∂u_j}{\∂x_i}),$

η₀＝4.377，β＝0.012，G_k代表由于平均速度梯度产生的湍流动能，其计算公式为  $G_k=-{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{uiuj}}\frac{\∂u_j}{\∂u_i},$

基于以上分析， 

首先，电机的原通风散热结构如图1所示，电机采用径向不等距离心风扇结构。定、转子铁心上分别开有通风孔,冷却空气有3条通风路径,分别通过定子铁心、电机的气隙、转子铁心。额定转速1782r/min。 

由于电机结构周期对称,选择其1/4部分作为分析对象,建立三维实体模型,通过计算得到电机冷却空气总流量为0.0389kg/s,总通风量为7.6m³/min，进风口风速6～8m/s，出风口风速2～3m/s。可见,风量偏低,难以满足散热要求,需要对通风散热结构进行改进。 

一种基于流体动力学的改进型电机通风散热结构，在现有电机通风散热结构基础上， 

改进方案一：将风扇附近的腹板高度适当降低约40mm，并在出风口附近增加通风口，见图2。图2为改进方案一的通风散热结构示意图。通过计算得到第一次改进后电机总通风量7.83m³/min，比改进前提高3%,进风口风速7.83m³/min，出风口平均风速3m/s，可见流场有所改进。但离心风扇产生的高压空气大量堆积在定子右侧，流通不畅，说明定子上通风路径狭窄，结构需进一步改进。 

改进方案二：在方案一的基础上增加定子通风孔直径,提高通风面积，如图3。图3为改进方案二的通风散热结构示意图。再次对通风量和风速进行计算，得到总通风量为9.63m³/s，比原始结构提高20%，进口风速约9～10m/s，出口风速约5m/s,通风效果较好，结构改进意义较大。 

此外，在考虑电机的力学设计的同时，我们还需要将电磁结构的设计与之相结合。二者相互影响，组成一个有机的整体。电机的力学结构不仅仅制约着电磁结构，同时也受电磁结构所制约。当定子通风直径增大到一定程度时，其电磁性能势必会受到削弱。为了使力学与电磁设计达到最优化，我们可以采用模糊算法找到一种折中的设计方案，在二者相互兼容的状态下，使电机达到最佳的工作状态。 

改进方案三：在之前的改进方案二基础上，本实用新型主副发电机通风散热结构优化设 计在电机通风散热结构中还采用了导流板和斗式风扇,在非传动端采用了整体风扇,并在斗式风扇的每个扇叶下方开了一个进风口，如图4。图4为改进后主副发电机内部结构图。通过建立电机结构的三维实体模型、网络剖分模型，计算出电机在额定转速下总通风量及相关空气动力学参数,并对上述通风散热结构的有效性进行验证。加导流板可避免冷却空气在端盖内腔形成涡流,并在斗式风扇作用下引导冷却空气分别向定子机座内侧和滑环套筒内流动,加强对定子和主发转子的冷却效果。非传动端采用整体风扇来提高风压,加强空气向主发定转子气隙和定子机座内侧的流动。在此，计算出电机在额定转速下总通风量及相关空气动力学参数，并对上述通风散热结构的有效性进行验证。由于电机结构周期对称，选择电机的1/2部分作为分析对象，建立三维实体模型，如图5。图5为主副发电机三维实体模型。通过计算得出发电机在额定转速下总通风量为129.40m³/min，进口风速为4m/s，出口风速为9.1m/s，通风效果理想，说明采用导流板、斗式风扇及整体风扇等通风散热结构对电机的散热十分有效。 

综上所述，本实用新型的积极有益效果均体现在电机通风总量的显著提升，以及在进风口和出风口处风速的增大，体现了电机通风散热结构优化的意义。 

附图说明

图1为现有电机通风散热结构示意图。其中，图中，1-出风口，2-转子铁心，3-定子铁心，4-定转子气隙，5-风扇，6-进风口。 

图2为改进方案一的通风散热结构示意图。其中，图中，7-增加散热孔，8-降低腹板高度。 

图3为改进方案二的通风散热结构示意图。其中，图中，9-增加定子通风孔直径。 

图4为进一步改进后的主副发电机内部结构图。其中，图中，10-外侧进风口，11-导流板，12-斗式风扇，13-整体风扇，14-内侧进风口，15-被导流的空气，16-滑环套筒进风口。 

图5是本实用新型改进方案逻辑图。 

图6为进一步改进后的主副发电机三维实体模型示意图。 

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施方式进一步说明本实用新型。 

一种基于流体动力学的改进型电机通风散热结构，基于现有电机通风散热结构， 

改进方案一：由于左侧的档板阻挡了离心气流的轴向流动，为此我们将风扇附近的腹板 高度适当降低40mm，并在出风口附近增加散热孔，如图2所示的示意图。图2为改进方案一的通风散热结构示意图。其中，图中，7-增加散热孔，8-降低腹板高度。通过计算得到了方案一改进后，总通风量增大3%，入口出口风速有所提高。但离心风扇产生的高压空气大量堆积在定子右侧，流通不畅,说明定子上通风路径狭窄,结构需进一步改进。 

改进方案二：增加定子通风孔直径,从而提高通风面积，如图3所示的示意图。图3为改进方案二的通风散热结构示意图。其中，图中，9-增加定子通风孔直径。通过计算第二次改进后，通风总量比原通风散热结构提升20%，风速进一步增大。与原通风散热结构相比，定子部分通风量提高的同时，又使得定转子部分的通风量得到合理分配，同时定转子气隙的通风量的增大有利于电机温升的降低。以上分析说明,第二次通风散热结构改进使电机的通风散热性能得到显著提高。但不能忽略的是，由于电机结构设计同时要考虑力学结构与电磁结构的设计，二者相互影响和制约。在改变了力学结构的同时势必会影响到其电磁性能，反过来，电磁结构的设计也制约着定转子的力学结构设计。所以当我们在改进方案二中增加定子通风孔直径，提高了通风面积的同时，其电磁性能会受到影响。所以，为了能使力学与电磁设计达到最优化，我们采用模糊算法找到一种的设计方案，在二者相互兼容的状态下，使电机达到最佳的工作状态。 

改进方案三：主副发电机通风散热结构的优化设计 

在改进方法二的通风散热结构下，我们采用导流板和斗式风扇,在非传动端采用了整体风扇,并在斗式风扇的每个扇叶下方开了一个进风口，如图4。图4为基于之前优化方案后的改进的主副发电机内部结构图。其中，图中，10-外侧进风口，11-导流板，12-斗式风扇，13-整体风扇，14-内侧进风口，15-被导流的空气，16-滑环套筒进风口。在这样的结构下，外侧进风口进来的冷空气没有在端盖内形成涡流，而是在斗式风扇作用下分别向定子机座内侧和滑环套筒内流动；非传动端的冷却空气在整体风扇的高压作用下，向主发电机定转子气隙和定子机座内侧流动，对定子、转子进行有效冷却。通过计算发电机在得出发电机在额定转速下总通风量为129.40m³/min，进口风速为4m/s，出口风速为9.1m/s，通风效果理想，说明采用导流板、斗式风扇及整体风扇等通风散热结构对电机的散热十分有效。 

图5是本实用改进方案一～改进方案三新型改进方案逻辑图。图6为改进后的主副发电机三维实体模型示意图。 

综上，本实用新型的有益效果体现在相比较现有通风散热结构，总通风量，进口、出口风速均有显著的提高，改进后的装置散热效果更为理想。具有积极进步意义。 

Claims (3)

1.一种基于流体动力学的改进型电机通风散热结构，其特征在于，该散热结构将电机通风散热结构风扇附近的腹板高度降低，并在出风口附近增加通风孔。

2.根据权利要求1所述的一种基于流体动力学的改进型电机通风散热结构，其特征在于，增加定子通风孔直径。

3.根据权利要求2所述的一种基于流体动力学的改进型电机通风散热结构，其特征在于，在电机通风散热结构中还采用导流板和斗式风扇,在非传动端采用整体风扇,并在斗式风扇的每个扇叶下方开一个进风口。

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