摘要：带有径向冷却系统的电机在两端或其他产生辅助风压的部件上使用轴向风扇。冷却介质从两端泵入，通过铁芯内的风管从中间径向排出。这种冷却系统具有良好的对称性，其通风损耗较小，散热面积较大，因此广泛的应用于中型以上的电机中。径向通风的优点是通风损耗小，散热面积大，沿电机轴向长度上的温度分布比较均匀。
关键词：高压方箱电机；内风路分析；
对高压方向系列电机的通风系统进行研究，以方箱式电机为例。数值模拟分析了电机风路中流场和流速等参数变化的情况，为电机风路结构的进一步优化提供了有力的技术支撑。
一、分析YXKK 560电机内风路
研究的模型(YXKK 560-4P电机)采用的是径向通风，即冷却空气由两侧对称进入，如图1所示。
图1 YXKK径向通风系统风路示意图
冷却空气的主要部分经定子线圈端部→转子轭部风路→转子径向风道→气隙→定子径向风道，最后经定子铁心中部排出。这种通风系统便于利用转子上能够产生风压的零部件(如通风槽片)的鼓风作用，因而得到广泛应用。由于定子绕组端部散热面积较大，所以靠近端部处温升较低，由于出槽口处铁心表面的散热效果好，故绕组在该点温度最低。该通风方式的通风损耗小，散热面积大，沿电动机轴向的温升分布比较均匀。铁心部分的绕组温升基本相同，总体来说绕组各部分温升差异很小。其缺点是风扇外径一般都比转子外径小，所以风扇的风压受到限制，该通风系统适用于中等转速的电机，并需要设置径向通风道，因而使得电动机轴向尺寸增大，也增加了加工成本。
1.模型建模。（1）网格划分。数值模拟的空气域划分为三部分:间隙空气域、静止空气域和旋转空气域。网格是数值计算的基本单元，网格划分的好坏直接影响了数值计算的效果。网格划分采用ICEM，在处理上根据不同流体区域进行不同的网格划分尺度，下面对每个流体区域的网格划分进行展示。1)间隙空气域网格。间隙空气域的空气流道狭窄，须采用较密网格，限制体积单元的element size为0．01m，整个间隙空气域网格数量约为1．7万，采用Automatic网格划分方法。2)静止空气域网格。静止空气域较大，网格数量较多，约为727万，限制体积单元的element size为0．02m，采用Automatic网格划分方法。3)旋转空气域网格。依然采用Automatic网格划分方法，限制体积单元的element size为0．01m。旋转空气域网格数量约为220万。（2）基本假设和边界条件设置。a基本假设。1)由于电机中流体的雷诺数很大(Ｒe＞2300)，流体属于紊流，因此采用紊流模型对电机内流体场求解。2)忽略浮力和重力对电机内流体场的影响。3)由于只研究电机内流体流速的稳定状态，即定常流动，因而方程不含有时间项。4)电机内流体场中，流体流速远小于声速，即马赫(Mach)数Ma很小，故将流体作为不可压缩流体考虑。b边界条件设置。1)间隙空气域、静止空气域和旋转空气域之间的交界面，均采用交界面边界条件。2)电机旋转部分以及旋转空气域的转速与电机额定运行时转速相同，本课题为1485r/min。为了比较分析结果，我们计算了正向旋转和反向旋转两个工况。从非轴伸端看为顺时针旋转，我们取为+1485 r/min，命名正向旋转，从轴伸端看为顺时针旋转，我们取为－1485 r/min，定义为逆向旋转。3)电机固壁外表面均采用无滑移光滑壁面。
二、分析
1. 机座两侧板的温度在 59 度（ 设置环境温度 40 度） 左右， 根据以往的电机型式试验的数据， 电机两侧板温度在 45～50 度（环境温度 25 度）。 温升在 20 度左右， 此值与实际比较符合。
2. 靠近定、 转子的中间部位， 温度越高。 因为此电机为径向通风， 端部两侧有内风扇而且散热空间较大散热较易， 所以端部散热会比铁心中间部分散热较好， 温度较低一些。 另外， 冷风从两端向内部进入铁心形成风路的过程中， 风阻逐渐加大， 进风的温度也逐渐有所增加， 加之铁心内部空间小、 散热较难所以导致中间温度较高。 所以我们在实际的电机设计过程中， 会通过增加铁心内部的通风道来增加散热面积来降低铁心内部的温度， 并且该结论已经在成功运用在实际当中。
3. 可以看出电机的最高温度出现在转子上。 主要原因此规格的转子的电磁负荷设置的过高导致。
4. 根据方箱电机试验结果单， U1、 U2、 U3 埋在铁心端部， V1、 V2、 V3 埋在铁心中间部分，在 Ansys 的仿真结果中， 电机的最高温度出现在转子绕组上， 定子绕组的端部温度为95 度， 铁心中间的温度为 101 度， 与电机的实测温度约有 10 度的误差， 这是因为 Ansys 仿真计算是基于理想的电机模型计算的， 对电机的实际模型进行了相应的假设（如忽略了接触热阻等因素）。 另外， 电机的导热系数与实际值有一定的误差， 计算散热系数所采用的风速只是近似的估计， 并没有通过电机的流场分析， 这些因素都很有可能导致上述温度误差的存在。
三、内风路流场分析结果
1.流场流线。图2为整个流场的流线图。当正向旋转时，从非轴伸端可以看到，由于风扇的顺时针旋转，风扇周围的流速较高，冷却器内流速较低，如图2(a)、图2(b)所示。当逆向旋转时，即从轴伸端看为顺时针旋转，从速度的流线图可以看到，流线在冷却器中较少，大部分都在机座内，其冷却效果没有正向旋转明显，如图2(c)、图2(d)所示。从机座内来看，逆向旋转比正向旋转在定转子周围分布的流线更多、更均匀，说明在机座内散热，
逆向旋转比正向旋转更有优势，局部温升比正向旋转要低。
图2整个流场的流线图
2.速度矢量图。为了更好的观察内风路的速度矢量变化情况，现建立轴向截面如图3所示的灰色部分。
图3轴向截面图图4轴向截面速度矢量对比图
图4给出了正向旋转和逆向旋转的轴向截面的速度矢量对比图，其中图4(a)为正向旋转，图4(b)为逆向旋转。从图4(b)逆向旋转的风路与图1径向通风系统风路示意图一致。正向旋转和逆向旋转的风路走向是相反的。相比在定转子径向通风道中的流速，冷却器中的流体速度都相对较低。我们选取中心位置，建立径向截面，图5给出了正向旋转和逆向旋转的径向截面的速度矢量对比图，
图5轴向截面速度矢量对比图
其中图5(a)为正向旋转，图5(b)为逆向旋转。从对比图中可以看到，正向旋转的流体分布广泛，而逆向旋转主要沿着机座壁面向上流动，流体可以通过壁面传热的方式实现更好的冷却。
3.压力速度云图。为了观察冷却器进出口的压力情况，我们建立冷却器进出口平面，图6给出了正向旋转和逆向旋转的冷却器进出口压力和速度云图，
图6冷却器进出口压力和速度云图
其中图6(a)为正向旋转压力云图，图6(b)为正向旋转速度云图，图6(c)为逆向旋转压力云图，图6(d)为逆向旋转速度云图。图中正上方为轴伸端，正下方为非轴伸端。从对比图可以看到，正向旋转比逆向旋转的进出口压差大，但是正向旋转轴伸端的压力较小，非轴伸端的压力较大，两侧的对称性效果差。逆向旋转的两侧的对称性较好，进口压力大，约为293Pa，出口压力小，约为－46．8Pa。正向旋转和逆向旋转的最大流速都出现在靠近壁面处。
总之，完成了对方箱式电机YXKK 560-4的内风路分析，通过有限元软件的仿真分析，建立了YXKK电机内风路的分析方法和掌握了分析手段，并进行了特性评价，为电机风路结构的优化设计提供了参考借鉴。
参考文献：
［1］王红艳，ANSYS机械与结构分析2018.
［2］刘万航．浅谈高压方箱电机内风路分析.2018.