孫丹丹

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，客戶對(duì)電機(jī)的性能、體積、節(jié)能指標(biāo)都提出了更高的要求。為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，電機(jī)高性能、高功率密度、高效率的“三高”發(fā)展趨勢(shì)成為必然。目前國外針對(duì)“三高”有兩個(gè)主流方向，一個(gè)是高速永磁電機(jī)，另一個(gè)就是高溫超導(dǎo)電機(jī)。超導(dǎo)線在臨界溫度、臨界磁場(chǎng)強(qiáng)度及臨界電流密度以內(nèi)時(shí)具有超導(dǎo)電性，其電阻為零，使繞組的電阻損耗降為零，既解決了轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱、溫升問題，又使電機(jī)效率大為提高。應(yīng)用高溫超導(dǎo)技術(shù)的電機(jī)相比于傳統(tǒng)的銅材電機(jī)，具有效率高、質(zhì)量輕、尺寸小和單機(jī)極限功率大等許多突出的優(yōu)點(diǎn)，因此未來產(chǎn)業(yè)化前景非常廣闊。本文重點(diǎn)研究由我公司設(shè)計(jì)制造的一臺(tái)采用國產(chǎn)第二代高溫超導(dǎo)帶材YBCO的高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的風(fēng)路設(shè)計(jì)。

1 電機(jī)參數(shù)

額定功率 500 kW 相數(shù) 3

額定電壓 690 V 安裝型式 IMB3

額定轉(zhuǎn)速 1 500 r/min 冷卻方式 IC06

絕緣等級(jí) F級(jí) 極數(shù) 4

防護(hù)等級(jí) IP44 頻率 50 Hz

2 電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電機(jī)定子鐵心采用徑向通風(fēng)槽通風(fēng)，沿軸向長(zhǎng)度上，每隔50 mm疊片之間有寬10 mm的通風(fēng)槽板，增加定子鐵心的散熱面積，以改善定子鐵心散熱?？紤]到發(fā)熱和溫升問題，定子使用開口槽，沿定子鐵心內(nèi)圓表面的槽內(nèi)放置三相定子繞組，槽口用槽楔封住。絕緣采用F級(jí)絕緣及F級(jí)溫升考核。

超導(dǎo)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用液氮浸泡式蒸發(fā)冷卻方式，轉(zhuǎn)子線圈和鐵心等浸泡在冷卻介質(zhì)當(dāng)中，整體開放式循環(huán)。

3 電機(jī)風(fēng)路設(shè)計(jì)

如圖1所示，一種高溫超導(dǎo)電機(jī)的風(fēng)路結(jié)構(gòu)，其包括電機(jī)的機(jī)座101，機(jī)座101上設(shè)有鼓風(fēng)機(jī)104。鼓風(fēng)機(jī)104有兩個(gè)出風(fēng)端106，鼓風(fēng)機(jī)104還有進(jìn)風(fēng)端110，將風(fēng)從進(jìn)風(fēng)端向出風(fēng)端驅(qū)動(dòng)的扇葉(圖上未示出)以及驅(qū)動(dòng)扇葉的電機(jī)111。電機(jī)111為兩個(gè)，兩電機(jī)111分別設(shè)于鼓風(fēng)機(jī)104的兩端。扇葉位于鼓風(fēng)機(jī)的內(nèi)腔，并位于出風(fēng)端的上方。

機(jī)殼101的頂部設(shè)有兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口107，每個(gè)進(jìn)風(fēng)口107各分別與一個(gè)出風(fēng)端106連通；機(jī)殼101的兩側(cè)均設(shè)有排風(fēng)口(圖上未示出)。電機(jī)可以將用于冷區(qū)的空氣從進(jìn)風(fēng)端進(jìn)入并通過出風(fēng)端后再進(jìn)入機(jī)殼的進(jìn)風(fēng)口，并進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。在電機(jī)的持續(xù)作用下，電機(jī)內(nèi)部的熱風(fēng)從排風(fēng)口排出。

電機(jī)內(nèi)具有轉(zhuǎn)子105；還具有定子鐵心102和嵌于定子鐵心槽內(nèi)的定子線圈103，定子鐵心102內(nèi)設(shè)有徑向通風(fēng)槽(圖上未示出)。定子鐵心102由多張定子沖片疊壓成若干段鐵心塊108組成，鐵心塊108由多張硅鋼片疊壓而成，通常為由厚度0.5 mm的圓形冷軋硅鋼片疊成；鐵心塊的寬度通常為50 mm，即其通常由100張左右的硅鋼片疊成。定子鐵心102的兩端設(shè)有壓圈112，定子鐵心兩端用壓圈將其壓緊。相鄰的鐵心塊108之間設(shè)有通風(fēng)道109。徑向通風(fēng)道可以增加定子鐵心的散熱面積，改善鐵心散熱。定子線圈103在定子鐵心102的兩端的端部均位于進(jìn)風(fēng)口107的下方。轉(zhuǎn)子105和定子鐵心102之間設(shè)有供冷卻氣體流動(dòng)的間隙。由于該間隙較小，故圖1中未標(biāo)注出。

圖1 一種高溫超導(dǎo)電機(jī)的風(fēng)路結(jié)構(gòu)示意圖

圖1中實(shí)心箭頭方向?yàn)闅怏w流動(dòng)的方向。用于冷卻的空氣在鼓風(fēng)機(jī)配套電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，從機(jī)殼的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，由于定子線圈的兩個(gè)外露端均處于進(jìn)風(fēng)口的下方，冷卻氣體可以均勻地經(jīng)過定子線圈的兩端部并帶走熱量，然后氣體經(jīng)過定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙，并逐步分流進(jìn)入定子鐵心的徑向通風(fēng)道，最后通過機(jī)座中間兩側(cè)的排風(fēng)口排出。

采用常規(guī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)會(huì)使定子線圈的兩端由于溫差過大而導(dǎo)致冷卻效果不佳，進(jìn)而影響電機(jī)整體運(yùn)行的可靠性。采用此風(fēng)路結(jié)構(gòu)可以使定子線圈兩端的溫度同時(shí)降低，大大提高了高溫超導(dǎo)電機(jī)繞組的冷卻效果，有效地降低了電機(jī)溫升。其結(jié)構(gòu)緊湊，裝配方便，降低了制造成本。

4 電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算

4.1 計(jì)算分析技術(shù)要求

使用SolidWorks建立了電機(jī)的實(shí)體模型，通過其他軟件將其內(nèi)部流體區(qū)域提取出來，進(jìn)行CFD計(jì)算，并對(duì)固體區(qū)域進(jìn)行耦合傳熱計(jì)算。

對(duì)電機(jī)的進(jìn)出口進(jìn)行一定的延伸，以減少計(jì)算式產(chǎn)生的誤差，圖2為電機(jī)中心截面網(wǎng)格示意圖。

圖2 電機(jī)中心截面網(wǎng)格示意圖

基于連續(xù)方程、Navier-Stokes方程、K-Epsilon湍流方程通過有限體積法的離散方法，使用SIMPLE算法、二階迎風(fēng)差分方法，解三維穩(wěn)態(tài)定常密度不可壓縮空氣(ρ=constant)模型，使用了分離求解器，采用了Realizable K-Epsilon湍流模型和壁面函數(shù)法對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)該電機(jī)以及冷卻器的資料，我們給定了以下邊界條件。

入口：質(zhì)量流量為0.733 2 kg/s(空氣溫度40 ℃)；

出口：壓力出口為P=0 Pa；

參考?jí)毫Γ?01 325.0 Pa。

4.2 計(jì)算結(jié)果

通過計(jì)算得到了電機(jī)在該流量下各個(gè)徑向通風(fēng)道的流量，其值大小如表1所示，將所得結(jié)果繪制成曲線如圖3中所示。其中可以看到：在齒壓板處的流量最大，為0.474 kg/s，其余各處均比端部小的多。在除齒壓板處的通風(fēng)道外，流量最大的為第5個(gè)通風(fēng)道，即中間一處通風(fēng)道的流量最大，是第2通風(fēng)道流量值的5倍。

表1 徑向通風(fēng)道流量值 單位：kg/s

圖3 徑向通風(fēng)道流量值

由于徑向通風(fēng)道中空氣流量的不均，從而造成該電機(jī)定子溫升分布的不均，如圖4所示。

圖4 定子鐵心溫度分布云圖

從圖4中可以看出，鐵心中部溫度較高，約為58 ℃，而兩邊溫度較低，約為49 ℃，這也正好說明了電機(jī)內(nèi)風(fēng)路流場(chǎng)計(jì)算的結(jié)果。

從圖5可以看出電機(jī)整體溫度分布情況，由于轉(zhuǎn)子表面損耗只能通過氣隙帶走， 因而造成轉(zhuǎn)子表面溫度較高。

圖5 電機(jī)整體溫度分布云圖

定子線圈的溫度分布情況如圖6所示。

圖6 定子線圈溫度分布云圖

根據(jù)圖6可以知道，定子線圈的散熱情況也非常高，最高溫度出現(xiàn)在線圈的中部，約為58 ℃。

4.3 結(jié)論

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該電機(jī)定子鐵心和定子線圈的溫升都相對(duì)較低，該電機(jī)風(fēng)路參數(shù)選取的非常合理。

5 試驗(yàn)結(jié)果

此高溫超導(dǎo)電機(jī)已經(jīng)完成了各項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示電機(jī)的溫升遠(yuǎn)小于國家標(biāo)準(zhǔn)。

6 總結(jié)

通過仿真和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果顯示電機(jī)的冷卻風(fēng)路設(shè)計(jì)完全滿足電機(jī)散熱的需要，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是成功的。該臺(tái)高溫超導(dǎo)電機(jī)的研制成功，使我公司在特殊產(chǎn)品制造上實(shí)現(xiàn)重大突破，標(biāo)志著我公司在電機(jī)制造上又填補(bǔ)了一項(xiàng)國內(nèi)空白，并為我公司后期開發(fā)研制更大容量的高溫超導(dǎo)電機(jī)積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)、奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。