徐志平

（神華準(zhǔn)能集團(tuán)有限責(zé)任公司科學(xué)技術(shù)研究院，內(nèi)蒙古017100）

0 引言

空冷島永磁直驅(qū)電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱永磁電機(jī)）是空冷島風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備之一，適用于交流50 Hz、額定電壓380 V的電網(wǎng)中，直接帶動(dòng)風(fēng)機(jī)葉輪進(jìn)行啟、停及調(diào)速控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)空冷島提供冷卻，保證發(fā)電機(jī)組的正常安全運(yùn)行。因此，準(zhǔn)確計(jì)算和預(yù)測(cè)永磁電機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)分布，從而得到永磁電機(jī)各部件溫升分布情況，將為永磁電機(jī)高效、安全運(yùn)行奠定基礎(chǔ)，也為永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

本論文首先介紹了永磁電機(jī)的具體冷卻方案，采用FLUENT17.2軟件，應(yīng)用有限體積法建立了永磁電機(jī)三維溫度場(chǎng)計(jì)算模型，計(jì)算了永磁電機(jī)內(nèi)部溫度分布，計(jì)算結(jié)果為永磁電機(jī)電磁設(shè)計(jì)中熱負(fù)荷參數(shù)的選取提供依據(jù)，并驗(yàn)證冷卻方案的合理性。

1 物理模型

1.1 冷卻系統(tǒng)介紹

永磁電機(jī)采用自然冷卻方式，冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示。永磁電機(jī)機(jī)殼外側(cè)分布散熱翅片。

圖1 永磁電機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)圖

1.1.1 定子鐵心和繞組的冷卻

定子鐵心和鐵心段繞組產(chǎn)生的損耗主要包括銅耗和鐵耗，沿徑向傳導(dǎo)至鐵心，進(jìn)而傳導(dǎo)至鐵心外側(cè)散熱翅片、鐵心外表面和機(jī)殼表面，由外界空氣以自然對(duì)流的形式帶走。

1.1.2 繞組端部的冷卻

繞組端部長(zhǎng)度較短，端部密封膠的導(dǎo)熱系數(shù)較低，端部繞組產(chǎn)生的熱量一部分沿軸向傳導(dǎo)至鐵心段繞組，其余部分則沿徑向傳導(dǎo)至機(jī)殼表面帶走。

1.1.3 轉(zhuǎn)子的冷卻

轉(zhuǎn)子損耗主要是磁極表面的脈振損耗，電磁計(jì)算結(jié)果表明，其損耗值較小，其產(chǎn)生的熱量可以傳給轉(zhuǎn)軸、氣隙空氣和轉(zhuǎn)子內(nèi)部空氣，最終由外界空氣帶走，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)子的冷卻。其中氣隙空氣可以將主要發(fā)熱的定子部分的熱量與轉(zhuǎn)子區(qū)域隔離，從而使永磁體安全可靠工作。轉(zhuǎn)子內(nèi)部裝有軸流風(fēng)扇結(jié)構(gòu)，起到擾動(dòng)轉(zhuǎn)子腔體內(nèi)部空氣作用，以增強(qiáng)轉(zhuǎn)子內(nèi)部的散熱。

1.2 模型建立

永磁電機(jī)總體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 電機(jī)總體結(jié)構(gòu)圖（不含端蓋和鐵心外側(cè)散熱翅片）

圖3 計(jì)算模型

永磁電機(jī)總體結(jié)構(gòu)周向?qū)ΨQ，軸向?qū)ΨQ，因此，冷卻狀況具有典型的周期性特點(diǎn)。根據(jù)定子部分結(jié)構(gòu)，取實(shí)際電機(jī)的周向1/6（四個(gè)極），軸向1/2作為計(jì)算區(qū)域，建立三維模型，見(jiàn)圖3，模型中分為定子區(qū)域、氣隙和轉(zhuǎn)子區(qū)域。計(jì)算區(qū)域中不同材料屬性部分分開(kāi)設(shè)置。在本次計(jì)算中，將氣隙的空氣等效為固體材料，加載的導(dǎo)熱系數(shù)為綜合考慮對(duì)流和熱傳導(dǎo)因素的等效導(dǎo)熱系數(shù)。

1.3 模型簡(jiǎn)化

因模型較復(fù)雜，為了計(jì)算的需要，在盡量保證冷卻效能不變的原則下對(duì)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理。

1）散熱翅片的簡(jiǎn)化

對(duì)于散熱翅片，因?qū)嶋H翅片單元與機(jī)殼軸向筋板并不連接，因此建模時(shí)將翅片單元與電機(jī)機(jī)殼軸向筋板距離設(shè)定為1 mm。

2）絕緣和繞組的簡(jiǎn)化

為簡(jiǎn)化分析，對(duì)定子槽內(nèi)繞組作出了如下假設(shè)：（1）槽內(nèi)導(dǎo)線均勻排列，溫差忽略不計(jì)；（2）銅線的絕緣漆分布均勻；（3）繞組浸漬漆完全填充。

因本電機(jī)定子繞組為散下線形式，導(dǎo)線及其漆膜的尺寸較小，給溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算帶來(lái)一定困難，很難建立其真實(shí)模型。本次建立了定子繞組散下線的槽部等效模型，將槽內(nèi)所有導(dǎo)體和漆膜折算在一起，然后把所有的導(dǎo)線綜合在一起，位于槽中心位置，其邊界平行于槽的外邊界，把槽絕緣和浸漆物質(zhì)放在外層，形成整個(gè)槽的分層模型如下圖所示。計(jì)算得到本模型中等效絕緣的厚度為1.2 mm。在本次計(jì)算中因等效絕緣厚度太小，不建立等效絕緣的實(shí)體模型，而是在FLUENT中以面厚度的形式加載。

根據(jù)絕緣的簡(jiǎn)化，將槽內(nèi)全部填充滿形成等效導(dǎo)體。端部繞組由槽內(nèi)繞組的截面按端部繞組展開(kāi)長(zhǎng)度拉伸而成。槽部等效模型如圖4所示。

圖4 槽部的等效模型

2 計(jì)算方法及邊界條件

2.1 控制方程

固體區(qū)能量方程：

式中，k為固體導(dǎo)熱系數(shù)；T為固體溫度；Sh為體積熱源。

3.2 計(jì)算輸入

計(jì)算輸入如下表所示。

表1 永磁電機(jī)熱計(jì)算工況表

表2 永磁電機(jī)熱計(jì)算物性參數(shù)表

2.3 計(jì)算方案說(shuō)明

本論文針對(duì)定子鐵心外圓有無(wú)散熱翅片、轉(zhuǎn)子是否引入外界環(huán)境冷卻空氣及定子鐵心外圓散熱翅片鐵質(zhì)還是鋁制材料三種因素，分別計(jì)算了五種設(shè)計(jì)方案的電機(jī)溫度場(chǎng)，五種方案具體情況如表4所示。

2.4 邊界條件

2.4.1 切面設(shè)置

永磁電機(jī)的計(jì)算域取自實(shí)際結(jié)構(gòu)的一部分，在模型周向表面上，均設(shè)置為周期邊界，以保證永磁電機(jī)的計(jì)算結(jié)果與實(shí)際物理模型一致。電機(jī)軸向中心切面設(shè)置為對(duì)稱邊界。

表3 永磁電機(jī)損耗分布表

表4 永磁電機(jī)設(shè)計(jì)方案說(shuō)明

2.4.2 熱邊界條件

1）定轉(zhuǎn)子間氣隙導(dǎo)熱系數(shù)的確定

首先說(shuō)明定轉(zhuǎn)子間氣隙導(dǎo)熱系數(shù)的確定方法。由于電機(jī)定轉(zhuǎn)子間存在熱交換，其熱傳遞時(shí)通過(guò)定轉(zhuǎn)子間氣隙介質(zhì)的對(duì)流和熱傳導(dǎo)完成，傳統(tǒng)的采用強(qiáng)加的第三類對(duì)流換熱邊界條件，不能考慮定轉(zhuǎn)子間的熱交換，會(huì)帶來(lái)一定誤差，因此引入等效導(dǎo)熱系數(shù)λeff的概念。它采用靜止流體的導(dǎo)熱系數(shù)來(lái)等效描述氣隙中流動(dòng)介質(zhì)的換熱能力，即單位時(shí)間內(nèi)靜止流體中定轉(zhuǎn)子間所傳遞的熱量和流體所傳遞的熱量相同。

定、轉(zhuǎn)子氣隙中的熱交換在離心力場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行，并伴以二次流動(dòng)，在臨界泰勒數(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)氣流的不穩(wěn)定：

式中，δ-氣隙的長(zhǎng)度，m；1ω-轉(zhuǎn)子角速度，rad/s；γ-介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)粘度，m2/s；mR-定、轉(zhuǎn)子氣隙平均半徑，m；經(jīng)計(jì)算，本電機(jī)氣隙中Ta為38.7，當(dāng)時(shí)，氣隙中空氣流動(dòng)為層流，據(jù)文獻(xiàn)資料測(cè)量結(jié)果表明，此時(shí)熱量是通過(guò)純熱導(dǎo)由一個(gè)表面?zhèn)鬟f到另一個(gè)表面，并且熱交換強(qiáng)度與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，因此在這種情況下，氣隙中的努塞爾數(shù)uN為常數(shù)2，即氣隙的散熱系數(shù)α與轉(zhuǎn)動(dòng)條件無(wú)關(guān)，可按下式計(jì)算：

式中，kλ為氣隙介質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)，W/mK。

2）各對(duì)流散熱表面熱邊界

對(duì)于本報(bào)告計(jì)算來(lái)說(shuō)，各散熱表面均存在自然對(duì)流散熱和輻射換熱兩種換熱方式，根據(jù)相關(guān)資料和工程經(jīng)驗(yàn)，考慮自然對(duì)流和熱輻射的等效對(duì)流散熱系數(shù)一般取為10 W/m2K。對(duì)流散熱邊界初溫設(shè)為設(shè)計(jì)要求的環(huán)境溫度45℃。詳細(xì)的熱邊界條件如表5所示。

表5 永磁電機(jī)熱計(jì)算邊界條件

表6 五種設(shè)計(jì)方案計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)果及分析

計(jì)算了表4所述的五種方案的電機(jī)三維溫度場(chǎng)。通過(guò)對(duì)計(jì)算結(jié)果的分析，認(rèn)為方案3、4溫升較高，不滿足設(shè)計(jì)要求，方案5鐵制翅片方案會(huì)造成整機(jī)的重量超標(biāo)，因此決定不采納方案3、4和5。五種方案的計(jì)算結(jié)果如下表所示。

五種設(shè)計(jì)方案的各部件最高溫度及溫升結(jié)果統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。

通過(guò)對(duì)表6中方案1和方案3，方案2和方案4計(jì)算結(jié)果的分析，可以看出：定子外圓散熱翅片對(duì)于本電機(jī)來(lái)說(shuō)，是不可或缺的，這是因?yàn)楸倦姍C(jī)是采用自然散熱冷卻方式的，而散熱翅片可以極大的增加定子部分的散熱面積，這對(duì)于自然散熱是極為重要的。方案3和方案4是不能滿足設(shè)計(jì)要求的。

通過(guò)對(duì)表6中方案1和方案2可以看出：在定子外圓有散熱翅片的情況下，轉(zhuǎn)子內(nèi)圓是否引入冷卻空氣，對(duì)定子散熱影響較小，轉(zhuǎn)子內(nèi)壁絕熱與轉(zhuǎn)子內(nèi)引入冷卻空氣相比，定子繞組最高溫度僅升高了2.8 K，但永磁體最高溫度由方案1的59.1℃升高到方案2的90.6℃，升高了31.5 K，對(duì)轉(zhuǎn)子散熱影響是很大的，因此加強(qiáng)轉(zhuǎn)子區(qū)域的冷卻是有必要的。

對(duì)比方案1和方案5可以看出，定子外圓為鋁制散熱翅片和鐵制散熱翅片，對(duì)電機(jī)各部件散熱影響較小，由鋁制散熱翅片變成鐵制散熱翅片，定子繞組最高溫度僅上升2.7 K，轉(zhuǎn)子永磁體最高溫度上升0.8 K。但本電機(jī)對(duì)體積及重量有著嚴(yán)格的限制，采用鐵制散熱翅片較鋁制散熱翅片重量要增大很多，因此鋁制散熱翅片為優(yōu)先選擇。

綜上所述，定子采用鋁制散熱翅片、轉(zhuǎn)子引入外界冷卻空氣的方案1為最終優(yōu)選方案，該方案能滿足設(shè)計(jì)要求，保證電機(jī)長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定工作。

4 結(jié)論

對(duì)空冷島永磁直驅(qū)電機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的熱計(jì)算，得到了電機(jī)溫度分布。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以得到如下結(jié)論：

1）定子采用鋁制散熱翅片、轉(zhuǎn)子引入外界冷卻空氣的方案1為最終優(yōu)選方案，該方案能滿足設(shè)計(jì)要求，保證電機(jī)長(zhǎng)期可靠穩(wěn)定工作。

2）采用最優(yōu)方案 1的電機(jī)內(nèi)部最高溫度為89.6 ℃，溫升為44.6 K，位于下層繞組，溫升可以滿足F級(jí)絕緣溫升考核，滿足設(shè)計(jì)要求，電機(jī)各部件始終處于安全運(yùn)行溫度之下。

3）采用最優(yōu)方案 1的轉(zhuǎn)子永磁體與電機(jī)外表面溫度始終處于安全運(yùn)行溫度之下，滿足設(shè)計(jì)要求，電機(jī)冷卻方案合理可行。

參考文獻(xiàn)：

[1][蘇]鮑里先科等編著. 電機(jī)中的空氣動(dòng)力學(xué)與熱傳遞[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1985.

[2]陳世坤等. 電機(jī)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2000.

[3]江善林. 高速永磁同步電機(jī)的損耗分析與溫度場(chǎng)計(jì)算[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010.