侯紅偉，秦 翥

(中國煤炭科工集團(tuán)上海研究院有限公司，上海 200030)

0 引 言

近年來，采用低速大轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動永磁同步電動機(jī)代替齒輪箱和感應(yīng)電動機(jī)，具有功率密度高、齒槽轉(zhuǎn)矩小等特點(diǎn)[1]，在礦山機(jī)械中得到了較為廣泛的應(yīng)用。分?jǐn)?shù)槽集中繞組礦用隔爆永磁直驅(qū)電動機(jī)由于結(jié)構(gòu)特性與磁場內(nèi)諧波的相互作用[2]，將產(chǎn)生定子銅損耗及轉(zhuǎn)子磁體損耗，若不采取措施會造成電動機(jī)發(fā)熱，當(dāng)熱負(fù)荷過小時，會導(dǎo)致電動機(jī)無法充分運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)熱負(fù)荷過大時，會影響電動機(jī)性能，嚴(yán)重時會使永磁體失磁[3]。如何在提高電動機(jī)工作效率的同時，解決永磁電動機(jī)溫升過高問題已成為近年來的研究熱點(diǎn)[4]。

國內(nèi)外學(xué)者對永磁直驅(qū)電動機(jī)在能量損耗、冷卻方式[5]、冷卻結(jié)構(gòu)[6]以及不同冷卻介質(zhì)[7]對電動機(jī)冷卻性能等方面的影響進(jìn)行了研究。通過計算永磁體渦流損耗[8]，得出永磁體渦流損耗是導(dǎo)致電動機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱的主要原因[9]。采用FLUENT軟件對低速大轉(zhuǎn)矩電動機(jī)的轉(zhuǎn)子及永磁體冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明加裝散熱風(fēng)扇并開設(shè)軸向、徑向通風(fēng)道可以有效降低永磁體溫升[10]。但是，對分?jǐn)?shù)槽集中繞組礦用隔爆永磁直驅(qū)電動機(jī)由于損耗分布不均衡，造成的電動機(jī)效率過低、磁場畸變嚴(yán)重等問題關(guān)注較少[11]。

筆者首先對500 kW、60 r/min礦用隔爆永磁直驅(qū)電動機(jī)進(jìn)行損耗分析，根據(jù)計算結(jié)果掌握電動機(jī)的溫度分布狀態(tài)，設(shè)計了適用于該直驅(qū)電動機(jī)的冷卻系統(tǒng)方案，然后通過截取該電動機(jī)定子軸向1/2半齒半槽及轉(zhuǎn)子徑向1/8為仿真對象，利用Realizablek-ε模型進(jìn)行三維溫度場仿真及數(shù)據(jù)統(tǒng)計[12]。結(jié)果證明：以水冷為主、軸向風(fēng)扇閉式循環(huán)風(fēng)冷為輔的冷卻系統(tǒng)可以有效降低直驅(qū)電動機(jī)定子端部及轉(zhuǎn)子磁體的溫升問題，說明了冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性，為永磁直驅(qū)電動機(jī)的整體優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 電動機(jī)損耗分析與計算

分?jǐn)?shù)槽集中繞組礦用隔爆永磁直驅(qū)電動機(jī)具有功率密度高[13]、齒槽轉(zhuǎn)矩低[14]、容錯能力高等特點(diǎn)，隨著單機(jī)容量的不斷增加，使得電動機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的單位體積損耗顯著上升[15]。

1.1 電動機(jī)損耗分析

電動機(jī)內(nèi)部存在電磁場、溫度場和應(yīng)力場，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的作用下，使得電動機(jī)內(nèi)部多物理場耦合、流場復(fù)雜[16]。由于定子導(dǎo)體不同匝間的損耗差異，使得電動機(jī)內(nèi)部諧波含量較高，主要包括定子齒、定子槽引起的氣隙磁密諧波及定子繞組激勵電流非正弦引起的氣隙磁密諧波[17]。電動機(jī)內(nèi)部諧波含量大、永磁體電導(dǎo)率高，且電動機(jī)內(nèi)的勵磁磁場是由轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生[18]，使得電動機(jī)永磁體的渦流損耗升高、電動機(jī)內(nèi)部磁場畸變嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子磁場中低次諧波相互作用增加了轉(zhuǎn)子渦流損耗[19]。此外，轉(zhuǎn)子磁鋼即使產(chǎn)生損耗較小，也將引起低速電動機(jī)定子發(fā)熱不均、轉(zhuǎn)子溫升過高等問題。

文獻(xiàn)[20]認(rèn)為電動機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的銅損耗、鐵損耗及渦流損耗是引起電動機(jī)發(fā)熱的主要原因，需要通過計算，才能準(zhǔn)確掌握電動機(jī)內(nèi)熱源分布情況，有利于選擇合適的來流溫度、設(shè)計有效的冷卻結(jié)構(gòu)。

1.2 電動機(jī)損耗計算

計算電動機(jī)損耗時假設(shè)電動機(jī)表面的散熱系數(shù)恒定，導(dǎo)熱系數(shù)及散熱系數(shù)不隨溫度發(fā)生改變，且電動機(jī)損耗不隨溫度變化且全部轉(zhuǎn)換為熱量。鐵心及鐵心段繞組產(chǎn)生的損耗主要包含銅損耗與鐵損耗，計算電動機(jī)銅損耗時，需要分別對繞組線圈銅損耗測量后進(jìn)行求和，見式(1)。

(1)

式中：Q為定子槽數(shù)；I為定子電流；T為定子端部繞組的最終溫度；T0為電動機(jī)起始溫度；R為定子齒槽中心距離；r為導(dǎo)線線徑；a為每線圈的并繞根數(shù)；n為每線圈的串聯(lián)匝數(shù)。

電動機(jī)定子內(nèi)的鐵損耗包括磁滯損耗、渦流損耗及異常損耗，可利用式(2)完成計算。

PFe=khfB2+kef2B2+kaf1.5B1.5

(2)

式中：kh為磁滯損耗系數(shù)；ke為渦流損耗系數(shù)；ka為附加損耗系數(shù)；f為磁場頻率；B為磁通密度。

轉(zhuǎn)子的渦流損耗分為空載渦流損耗及負(fù)載渦流損耗，利用式(3)完成。

(3)

式中：σ為磁鋼電導(dǎo)率；ω為磁場頻率；d為磁鋼厚度；Bav為磁通密度平均值；F為磁動勢；μ為磁導(dǎo)率；V為電動機(jī)負(fù)載電壓。

以無任何冷卻裝置的500 kW礦用隔爆永磁直驅(qū)電動機(jī)為例，電動機(jī)為徑向?qū)ΨQ，主要參數(shù)包括：定子內(nèi)徑1 460 mm、定子外徑1 800 mm、定子槽高105.5 mm、定子齒距25.38 mm、氣隙長度4.5 mm。式(1)—式(3)計算得出500 kW礦用隔爆永磁直驅(qū)電動機(jī)損耗分別為：銅損耗17.2、鐵損耗3.58、渦流損耗2.65。500 kW礦用隔爆永磁直驅(qū)電動機(jī)的損耗分布極不平衡，其中定子銅損耗占總損耗比例最高，其次為定子鐵心損耗及轉(zhuǎn)子永磁體損耗。

2 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)直驅(qū)電動機(jī)的損耗特點(diǎn)及計算結(jié)果，通過水冷方式能夠控制電動機(jī)定子部件的溫升問題，但是由于電動機(jī)轉(zhuǎn)速較低，如果轉(zhuǎn)子損耗通過熱輻射傳導(dǎo)傳遞熱量，將造成永磁體溫度過高，存在退磁風(fēng)險。

2.1 對流換熱模型

由于轉(zhuǎn)子磁體發(fā)熱較大且無法通過水冷方式散發(fā)熱量，在定子產(chǎn)生熱量的疊加作用下，轉(zhuǎn)子溫度將進(jìn)一步升高。因此，需要在考慮成本的前提下，確保電動機(jī)在最大負(fù)載時，永磁體溫度保持在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。在實(shí)際工程中通常采用牛頓冷卻定律計算對流換熱，見式(4)。

q=α(Tw-Tf)

(4)

式中：α為對流換熱系數(shù)；Tw為固體表面溫度；Tf為流體平均溫度。

由式(4)可知，對流換熱系數(shù)直接影響對流換熱強(qiáng)弱。由于電動機(jī)呈對稱分布且轉(zhuǎn)速較慢，較難產(chǎn)生對流，通過在轉(zhuǎn)子兩端增加散熱風(fēng)扇，加強(qiáng)電動機(jī)轉(zhuǎn)子與空氣對流傳熱能力的方式，增大對流換熱系數(shù)α，是解決永磁體溫升過高的有效方式之一。

2.2 電動機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)

綜上所述，500 kW礦用隔爆直驅(qū)電動機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)以水冷為主，以軸帶風(fēng)扇閉式循環(huán)風(fēng)冷為輔，冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電動機(jī)外部設(shè)置水套機(jī)座，內(nèi)部通過風(fēng)扇形成循環(huán)風(fēng)路，將轉(zhuǎn)子磁體熱量傳遞至機(jī)座。銅損耗與鐵損耗通過熱傳導(dǎo)傳至機(jī)座；定子鐵心與水套機(jī)座采用熱套結(jié)構(gòu)，增加傳熱效果；定子端部熱量經(jīng)過銅繞組傳至直線段，再由定子鐵心傳走。

圖1 500 kW永磁直驅(qū)電動機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of cooling construction of 500 kW permanent magnet direct drive motor

在轉(zhuǎn)子一側(cè)設(shè)置風(fēng)扇形成風(fēng)路，采用鍍層分塊、轉(zhuǎn)子軛部疊片式結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)子永磁體熱量攜至定子鐵心軛部并由機(jī)座冷卻水?dāng)y出，由式(3)可得此時永磁體渦流損耗由最初的2.65 kW降低為0.89 kW。

3 溫度場計算

3.1 計算模型建立

由于500 kW、60 r/min礦用隔爆永磁直驅(qū)電動機(jī)模型過大，截取該電動機(jī)定子軸向1/2半齒半槽及轉(zhuǎn)子徑向1/8作為研究對象，利用湍流realizablek-ε模型進(jìn)行流固耦合仿真，驗(yàn)證電動機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計是否合理。仿真時，電動機(jī)與空氣接觸面設(shè)置為無滑移、轉(zhuǎn)子內(nèi)各部件的邊界條件設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，電動機(jī)相關(guān)材料的物理性能參數(shù)見表1，電動機(jī)總體風(fēng)路如圖2所示。

表1 電動機(jī)部件相關(guān)材料物性參數(shù)Table 1 Related material property parameter of motor component

圖2 電動機(jī)總體風(fēng)路Fig.2 Total wind road

3.2 計算分析

分別對電動機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子分別進(jìn)行冷卻設(shè)置，并測量相關(guān)部件的溫度，通過迭代方式論證定子、轉(zhuǎn)子的熱平衡狀態(tài)。

1)步驟1。設(shè)定電動機(jī)定子端部及內(nèi)徑圓面處絕熱，將定子軛部孔加載全部的轉(zhuǎn)子熱量。測量可得定子端部的最高溫度為129.5 ℃，定子內(nèi)徑面平均溫度為107.4 ℃，定子軛部孔表面平均溫度為53.9 ℃。

2)步驟2。設(shè)定電動機(jī)定子內(nèi)徑圓面處絕熱，定子軛部孔加載全部轉(zhuǎn)子熱量，電動機(jī)定子端部給定換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)，定子來流溫度為85 ℃。計算可得定子端部最高溫度為117.3 ℃、定子內(nèi)徑面平均溫度為103.5 ℃及定子軛部孔平均溫度為53.2 ℃。由測量結(jié)果可知，步驟2中定子各部位溫度下降明顯，證明通過給定子端部設(shè)定來流溫度，能夠有效降低定子各部件溫度。

3)步驟3。設(shè)定電動機(jī)定子內(nèi)徑圓面處絕熱，轉(zhuǎn)子熱量通過定子軛部孔攜走，定子軛部孔平均溫度采用步驟2中的測量結(jié)果，仿真可得轉(zhuǎn)子各部位的溫度數(shù)值，其中包括轉(zhuǎn)子磁體最高溫度為117.3 ℃，定子端部來流溫度為85.1 ℃，轉(zhuǎn)子氣隙中溫度分布為85.1～111 ℃ ，定子氣隙面平均溫度為103.6 ℃。

定子端部來流在步驟2中給定為85 ℃，在步驟3中的計算結(jié)果為85.1 ℃，說明步驟2中的假設(shè)合理，且定子氣隙面平均溫度與步驟2接近，可知電動機(jī)部件在此時基本達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

4)步驟4。在步驟3的基礎(chǔ)上，將電動機(jī)定子內(nèi)徑圓面處的絕熱條件設(shè)定為步驟2中使用的計算溫度103.5 ℃。仿真可得轉(zhuǎn)子氣隙的空氣溫度占?xì)怏w總熱量的0.8%，轉(zhuǎn)子磁體的最高溫度降為116 ℃，說明定子內(nèi)徑面絕熱可以降低轉(zhuǎn)子氣隙中的熱量。

5)步驟5。將步驟4中的轉(zhuǎn)子氣隙空氣溫度加載到定子內(nèi)徑面處。仿真結(jié)果與步驟2所得結(jié)果基本相同，由此可以判定電動機(jī)部件在此時達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。

通過迭代計算的方式驗(yàn)證了當(dāng)給定來流溫度且電動機(jī)定子內(nèi)徑圓面處絕熱，轉(zhuǎn)子熱量加載至定子軛部孔，轉(zhuǎn)子氣隙空氣溫度加載到定子內(nèi)徑面處時，電動機(jī)部件基本達(dá)到熱平衡，驗(yàn)證了冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 三維溫度場仿真

根據(jù)計算結(jié)果對模型進(jìn)行三維仿真，其中定子溫度分布如圖3所示，由圖3可知，定子繞組在溫度分布上存在一定的不均勻性，定子端部與槽楔處的直線繞組溫度最高，且溫度依次按槽口到槽底降低。

圖3 定子溫度分布Fig.3 Stator temperature profile

轉(zhuǎn)子部位溫度分布如圖4所示，由圖4可知，轉(zhuǎn)子受軸向通風(fēng)影響，轉(zhuǎn)子磁體在軸向上存在較大的梯度溫差。

圖4 轉(zhuǎn)子磁體溫度分布Fig.4 Rotor magnet temperature distribution diagram

4.2 仿真結(jié)果分析

三維溫度場仿真結(jié)果見表2，由統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

表2 三維溫度場仿真結(jié)果統(tǒng)計Table 2 Simulation result statistics of three dimensional temperature field

1)定子繞組在溫度分布上存在一定的不均勻性，通過合理選取導(dǎo)體截面和匝數(shù)、調(diào)整槽口高度，可以減少轉(zhuǎn)子引起的繞組發(fā)熱不均及定子銅耗，確保電動機(jī)可靠穩(wěn)定的工作。

2)轉(zhuǎn)子磁體的溫度分布存在不均勻性，計算得到的電動機(jī)轉(zhuǎn)子磁體最高運(yùn)行溫度117.6 ℃，平均溫度 108.8 ℃，采用鍍層分塊、轉(zhuǎn)子軛部疊片式結(jié)構(gòu)，可以有效減少永磁體的損耗和發(fā)熱。

5 結(jié) 論

1)通過對500 kW、60 r/min礦用隔爆永磁直驅(qū)電動機(jī)進(jìn)行損耗分析與計算，得出定子銅損耗占總損耗比例最高，其次為定子鐵心損耗及轉(zhuǎn)子永磁體損耗。根據(jù)損耗特點(diǎn)，設(shè)計了以水冷為主，以軸帶風(fēng)扇閉式循環(huán)風(fēng)冷為輔，在電動機(jī)外部設(shè)置水套機(jī)座，內(nèi)部通過風(fēng)扇形成循環(huán)風(fēng)路的冷卻結(jié)構(gòu)。

2)冷卻結(jié)構(gòu)中，定子的銅損耗與鐵損耗，通過熱傳導(dǎo)傳至機(jī)座；定子鐵心與水套機(jī)座采用熱套結(jié)構(gòu)，增加傳熱效果；定子端部熱量經(jīng)過銅繞組傳至直線段，再由定子鐵心傳走；采用鍍層分塊、轉(zhuǎn)子軛部疊片式結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)子永磁體熱量攜至定子鐵心軛部，并由機(jī)座冷卻水?dāng)y出。

3)截取定子軸向1/2半齒半槽及轉(zhuǎn)子徑向1/8作為研究對象，利用湍流realizablek-ε模型進(jìn)行流固耦合仿真，通過迭代方式驗(yàn)證電動機(jī)在冷卻結(jié)構(gòu)的協(xié)作下，可以達(dá)到熱平衡狀態(tài)，利用三維溫度場仿真，說明冷卻結(jié)構(gòu)可以減少轉(zhuǎn)子引起的繞組發(fā)熱不均及定子銅耗，確保電動機(jī)可靠穩(wěn)定的工作；有效減少永磁體的損耗和發(fā)熱。