矿用防爆电机冷却系统数值模拟计算及传热分析.pdf
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1、收稿日期2023-03-18作者简介王晓俊(1986),男,硕士,高级工程师,现从事电机研发设计、多物理场仿真分析工作。矿用防爆电机冷却系统数值模拟计算及传热分析王晓俊1,王小雪2,吴宣东1,王一品1(1.卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司,河南南阳 473008;2.中国航发动力股份有限公司,陕西西安 710021)关键词防爆电机;冷却系统;数值模拟摘要为了研究矿用防爆电机的冷却系统和温度传递规律,采用 SIMPLE 算法和 RNG k-湍流模型,运用计算流体力学软件 Fluent 对一台 60 kW 矿用防爆电机全三维的内部冷却系统进行全域温度场模拟计算,重点研究了各部件的最高温度和温度分布
2、特征,并进行了流动和传热分析。模拟结果有助于了解矿用电机的冷却换热特点和温度传递规律,评估现有机座方案散热效果,可为同类型电机冷却结构设计和热源分配的合理性提供理论支撑。中图分类号 TM357 文献标识码 A 文章编号1004-9118(2023)03-0005-04DOI:10.14023/ki.dqfb.2023.03.002Numerical Simulation and Heat Transfer Analysis on Cooling System of Ex Motor for Mining Wang Xiao jun1,Wang Xiao xue2,Wu Xuan dong1,W
3、ang Yi pin1(1.Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co.,Ltd.,Nanyang Henan 473008;2.China Aviation Engine Co.,Ltd.,Xian Shaanxi 710021)Key words:Ex motor;cooling system;numerical simulationAbstract:In order to study the cooling system and heat transfer of the Ex motor for mining,SIM-PLE
4、 algorithm and RNG k-Turbulence model is used by Fluent to simulate the whole temperature field of the internal cooling system in a 60 kW Ex motor on three dimensional.Focusing on the maxi-mum temperature and temperature distribution of each component,the flow and heat transfer analysis is carried o
5、ut.The simulation results help to understand the cooling and heat transfer characteristics and its rules,also helps to evaluate the heat dissipation effect and provide theoretical support.0引言随着计算流体力学(CFD)技术的飞速发展,更多的湍流模型和计算方法应用于电机内部的三维流动计算中,使人们对电机内部流场有了更深入的了解,给电机的数值模拟带来了更大的便利,数值分析方法是目前研究矿用防爆电机冷却系统和温度
6、传递规律分布的重要手段。目前绝大多数异步电机都采用以空气为冷却介质的冷却系统,采用风扇强迫空气流动来冷却电机。而电机液冷结构比空冷复杂,仅在小体积、高功率密度、高速电机才会考虑采用液体冷却,但是液体热容量和导热能力远大于气体,冷却效果好,使电机维持在一个较低的温升水平。因此,矿用厂家采购时多选择水冷结构的防爆电机。针对异步电机的水冷系统研究,国内外学者取得了一定的研究成果。由于计算机条件的限制,不能真实地反应电机内部流体流动的实际状态,对电机冷却系统的流体流动情况难以准确地认识。同时,试验条件和测试方法的限制,也不能对电机冷却系统的流体流动状态有很好的测量和观察1。文献2-7利用 CFD 软件
7、研究的重点是电机折返型5研发与设计矿用防爆电机冷却系统数值模拟计算及传热分析水道、螺旋水道等水冷结构的仿真计算。本文以一台 60 kW 矿用防爆电机为例,运用计算流体力学软件 Fluent 对矿用防爆电机全三维的内部流场数值模拟分析,采用有限体积的方法8,重点研究了水冷电机流动和散热情况,对电机进行通风散热仿真分析,并评估现有机座方案散热效果,观察定子绕组、机座和转子温度等部件的热分布特征,为电机研发方案设计提供理论依据。1冷却系统本文以 60 kW 防爆水冷电机为研究对象,电机机座水道模型如图 1 所示,电机基本参数以及电磁计算损耗值见表 1 和表 2。采用折返水冷结构,机座内水筒沿轴向均匀
8、分布挡水条,在前后端盖进行封堵,电机壳体增加两个进出水口,实现冷却水沿轴向折返流动,对电机进行强迫对流换热。图 1电机机座水道模型表 1电机基本参数参数名称参数值功率/kW60电机效率/%93.5定子外径/mm290电机外径/mm359表 2 电磁计算损耗值位置损耗 P/W定子绕组损耗1 446定子铁芯损耗839转子绕组损耗1 203机械损耗545杂耗323总损耗4 3562CFD 分析2.1几何建模和网格划分电机机座几何模型主要包括:机座、挡水条和接线盒等部件,根据计算分析输入的基本假设,忽略电机螺栓连接件、小圆角和局部倒角等结构特征,采用 SolidWorks 2016 软件,简化建立仿真
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