王浩瀟， 韓雪巖， 馬 鑫， 寧 杰

(沈陽工業(yè)大學 國家稀土永磁電機工程技術(shù)中心， 遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

傳統(tǒng)起重機起升機構(gòu)的電動驅(qū)動裝置通常由減速器、制動器、聯(lián)軸器、電動機、卷筒等組成。為了應(yīng)對不同重量的貨物可能還設(shè)有主、副鉤起升機構(gòu)，需配備兩套不同容量的傳動裝置，使得結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。本文研究的適用于起重機的新型驅(qū)動裝置采用了外轉(zhuǎn)子低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(PMSM)直驅(qū)的方式。直驅(qū)的結(jié)構(gòu)省去了減速機、聯(lián)軸器等部件，減少了連接部件以及傳動路線上的機械損耗，提高了傳動效率。永磁電機本身具備體積小、質(zhì)量輕、運行可靠等優(yōu)點。本驅(qū)動裝置還實施了外轉(zhuǎn)子與卷筒一體化的設(shè)計，利用變頻調(diào)速功能應(yīng)對不同重量的起升，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)做到了極大的簡化[1]。

新型驅(qū)動裝置,即卷筒一體化電機,在提升重物時，PMSM負載大，電流大，所產(chǎn)生的銅耗就會很大。而電機為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子區(qū)域被氣隙隔開，氣隙熱阻較大，熱量不能很好地散出。起重機頻繁起停的特點也有別于其他設(shè)備。

對于起重機新型驅(qū)動裝置溫度場和散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計，文獻[2]對一臺9.76 kW小功率起重機用PMSM冷卻系統(tǒng)進行了設(shè)計及優(yōu)化,對比了空心軸冷卻方式和由端蓋引風在定子軸向設(shè)冷卻風道的冷卻結(jié)果，認為后一種冷卻方式較為理想。文獻[3] 基于Fluent軟件，針對S3電機工作制，采用加載時變熱源的方式，對起重機用外轉(zhuǎn)子永磁電機進行了三維瞬態(tài)溫度場數(shù)值計算與分析，通過與試驗結(jié)果對比證明此方法較為準確。文獻[4]采用熱網(wǎng)絡(luò)法對外轉(zhuǎn)子電機溫升進行了瞬態(tài)計算，編程的方法在計算速率上較快，但相對于有限體積法等方法存在一定誤差。

本文基于流固耦合和傳熱學理論模型，利用Fluent仿真軟件對起重機用卷筒一體化電機進行瞬態(tài)溫度場仿真分析。通過軟件的三維瞬態(tài)溫度場計算具有一定的準確性[5]，通過仿真結(jié)果與樣機試驗的對比加以證明。本計算針對大功率卷筒一體化電機，結(jié)合起重機設(shè)計標準和永磁電機的特點以及絕緣等級的要求設(shè)計冷卻結(jié)構(gòu)，并分析其在各工況下的溫升情況及適用性。

1 起重機運行特點及電機物理模型

根據(jù)起重機設(shè)計手冊[6],機構(gòu)工作級別是設(shè)計起重機結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，卷筒一體化電機作為起重機執(zhí)行機構(gòu)首先應(yīng)滿足基本設(shè)計要求。表明機構(gòu)運行時長的機構(gòu)利用等級設(shè)置為T0～ T9，如表1所示。表明結(jié)構(gòu)受載情況的載荷狀態(tài)設(shè)置為L1～ L4，如圖1所示，橫坐標為機構(gòu)在每100 min內(nèi)不同載荷下的使用時間，縱坐標為負載率。

表1 機構(gòu)利用等級

圖1 典型載荷圖

其中由載荷狀態(tài)L1～ L4與機構(gòu)利用等級T0～T9組合成機構(gòu)工作級別M1～M8。M8為機構(gòu)工作最高級別，對應(yīng)組合L1T9、L2T8、L3T7、L4T6。

卷筒一體化電機為細長型結(jié)構(gòu)，設(shè)備兩端支撐固定，一側(cè)裝有編碼器，另一側(cè)端蓋設(shè)為制動盤，外轉(zhuǎn)子作為卷筒使用，永磁體粘貼在卷筒內(nèi)壁，其結(jié)構(gòu)及詳細尺寸如圖2及表2所示。

2 流體場溫度場數(shù)學模型

2.1 流體場及溫度場數(shù)學模型

在求解卷筒一體化電機冷卻系統(tǒng)流體流動時需利用到流體質(zhì)量守恒方程：

圖2 卷筒一體化電機爆炸圖

表2 樣機尺寸參數(shù)

(1)

式中：ρ為流體密度；u為流體的速度矢量。

在處理流體黏性作用時要滿足動量守恒方程。

X方向動量守恒方程為

(2)

Y方向動量守恒方程為

(3)

Z方向動量守恒方程為

(4)

式中：p為流體單元上所受的壓力；τxx、τyx、τzx、τxy、τyy、τzy、τxz、τyz、τzz為流體單元的剪應(yīng)力分量；fx、fy、fz為流體單元在x、y、z方向所受的單位質(zhì)量力。

電機內(nèi)部熱交換需要滿足能量守恒方程：

-PdivU+div(λgradT)+Φ+Sh

(5)

式中：u、v、w分別為流體的速度分量；h為流體的比焓；T為流體溫度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；Sh為流體的內(nèi)熱源；Φ為由于黏性作用機械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。

流固耦合熱傳導(dǎo)瞬態(tài)方程：

(6)

式中：λx、λy、λz分別為電機導(dǎo)熱介質(zhì)在x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；q為流體溫度。

2.2 標準k-ε紊流數(shù)學模型

由于卷筒一體化電機內(nèi)流體雷諾數(shù)較大，屬于紊流狀態(tài)。因此采用標準k-ε紊流數(shù)學模型，其控制方程為

(7)

式中：k為脈動動能，即k方程；ε為能量耗散率，即ε方程；Gk為紊流產(chǎn)生率；u為流體的速度矢量；ρ為流體密度；μi為紊流黏性系數(shù)；Cε1、Cε2為常量；σk、σg為紊流普朗克常數(shù)。

3 驅(qū)動裝置冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

卷筒一體化電機繞組溫升按F絕緣考核[6]，根據(jù)機構(gòu)工作級別，分別對4種載荷狀態(tài)的最高級別M8進行溫升瞬態(tài)仿真，得出在最大載荷狀態(tài)下的最優(yōu)冷卻方案。

由于起重機應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，對于密閉性有一定要求，考慮電機定子繞組為主要發(fā)熱源且靠近電機軸側(cè)，采用如圖3的空心軸冷卻結(jié)構(gòu)。

圖3 空心軸冷卻結(jié)構(gòu)圖

對于外轉(zhuǎn)子電機，軸向風冷效果較好[7],在軸內(nèi)開孔工藝上相對簡單且不破壞電機主體結(jié)構(gòu)及封閉性，封閉式風冷結(jié)構(gòu)能有效地解決灰塵問題，并減小風扇噪聲[8]。電機轉(zhuǎn)速為12.8 r/min。數(shù)值較低，對轉(zhuǎn)軸通風影響較小，本文針對空心軸風冷冷卻方式的考慮，忽略了轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動影響。本電機轉(zhuǎn)軸軸徑較大，設(shè)計空心軸冷卻時，可開取較大孔徑，適合配軸流風機強制風冷保證一定的風量來提高冷卻效果。

保證電機高效運行，需要合理設(shè)計通風結(jié)構(gòu)尺寸。通過Fluent軟件對空心軸流體進行仿真，對不同流速及空心軸孔徑進行比較,確定適用的冷卻結(jié)構(gòu)條件。

圖4所示為3種流速下不同空心軸管徑的阻力值，可見所選管徑在310 mm時阻力值最低，相對流體流動效率較高。

圖4 空氣流速與空心軸管徑關(guān)系圖

選定空心軸孔徑為310 mm，計算在統(tǒng)一管徑相同流速下的阻力值，如圖5所示。空心軸軸孔通入氣體后，流體流阻隨流速增加而增大。在溫度場仿真計算時，按達到絕緣等級要求為條件選取最適流速。

圖5 空心軸內(nèi)流體流速與流阻關(guān)系圖

4 樣機溫升試驗及溫度場計算

4.1 溫升試驗與仿真結(jié)果對比分析

對卷筒一體化電機樣機進行試驗，采用自動控制平臺，只要將電機固定好，就可以對電機進行空載、負載試驗，避免了人為誤差對試驗結(jié)果的影響，提高了試驗結(jié)果的準確性。圖6為試驗平臺實物圖。測試當日室溫29 ℃，在樣機電樞繞組表面預(yù)埋溫度傳感器測量繞組溫度，仿真數(shù)值與測試點保持一致。電機的熱試驗，按照S3-30%工作制進行，設(shè)備運行時間為450 min，在自然風冷條件下進行。按相同條件通過軟件進行仿真計算，將測得試驗所得數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進行比較分析。圖7為通過軟件進行瞬態(tài)仿真的繞組最大溫升點曲線圖，圖8為試驗實測數(shù)據(jù)曲線，表3為兩者的溫升值比較。

圖6 樣機系統(tǒng)熱試驗實物圖

表3 溫升值比較

由表3中數(shù)據(jù)可知，在無冷卻散熱系統(tǒng)下，有限體積法溫度場仿真溫升值與試驗溫升值誤差小于10%，瞬態(tài)場溫升仿真曲線與試驗實測溫升曲線趨勢基本相同,證明了溫度場有限體積法的科學性。但在運行至450 min后，繞組溫升已接近絕緣等級的要求，因此在確定算法有效性的前提下，考慮設(shè)備的長期運行，對增加空心軸冷卻的情況進行仿真計算，設(shè)計適用于系統(tǒng)的合理冷卻結(jié)構(gòu)。

圖7 S3-30%工作制450 min繞組最大溫升曲線圖

圖8 樣機實測繞組最大溫升曲線圖

4.2 熱源的確定

現(xiàn)代大中型電機的溫度場計算中，多認為電機熱源是恒定的，未考慮電機特殊工作制的影響、受材料特性的影響，起重機用永磁電機中的各種損耗在電機運行過程中是時刻變化的[9]；在暫態(tài)計算中一般未考慮熱源的時變效應(yīng)[10]。卷筒一體化電機中銅耗要遠大于鐵耗，幾乎是電機的主要損耗。為了簡化計算，在起重機用永磁電機瞬態(tài)熱計算中忽略其他損耗的時變效應(yīng)，即不考慮溫度變化引起的電機電磁性能及熱源的變化，只考慮起重機用驅(qū)動裝置繞組銅耗的時變效應(yīng)。

4.3 溫度場仿真計算分析

由于起重機是斷續(xù)工作制運行方式，在仿真計算時需要加載時變熱源，F(xiàn)luent的用戶自定義功能(UDF)可以較好處理溫升計算中自定義函數(shù)的問題，根據(jù)所需的運行時間加載時變熱源的條件進行編程，再由軟件加載后計算。

對起重機4種M8工作級別進行瞬態(tài)溫升計算，比較選出溫升變化最高的一組，對其進行后續(xù)計算，以證明冷卻系統(tǒng)的適用性。

對4種工作級別都采用300 min模擬計算，對于載荷狀態(tài)的處理，根據(jù)圖1所示，結(jié)合實際工況，考慮載荷均勻分布，取每100 min為一個載荷變化周期。機構(gòu)利用等級，參照電機S3斷續(xù)工作制每10 min為一個變化周期，對于T6～T9分別取負載持續(xù)率為10%、20%、40%、80%，進行近似計算。

冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取空心軸風冷，空心孔徑選取為310 mm，入口設(shè)軸向風機鼓風。在風冷系統(tǒng)中，冷卻介質(zhì)空氣的流速是影響冷卻效果的一個重要因素，經(jīng)過分析，初選取進口風速為30 m/s，進口風量為7 884 m3/h，進口壓力約217 Pa。按以上條件進行Fluent仿真計算。計算結(jié)果如圖9及表4所示。

圖9 起重機4種工作級別瞬態(tài)溫升曲線

表4 300 min瞬態(tài)計算繞組最大溫升

由表4可知，繞組最大溫升出現(xiàn)在L1T9時所對應(yīng)的M8工作級別，分別取空氣流為10、20、30 m/s對其進行24 h瞬態(tài)溫升計算。其結(jié)果如圖10及表5所示。

在最大流速為30 m/s時，繞組最大溫升為98.4 K，溫升小于100 K,符合F絕緣等級標準，其他部件溫升均小于此標準，永磁體溫度小于退磁溫度。隨著流速的增加，流體流阻變大，冷卻效率低，相對于20 m/s時冷卻效果提升較小。在30 m/s時Fluent仿真各部件溫升分布及流體狀態(tài)如圖11所示。

圖10 L1 T9 工作級別24 h繞組最大溫升曲線

表5 24 h瞬態(tài)計算各部件最大溫升

圖11 L1 T9工作級別各部件24 h最大溫升與流體場仿真結(jié)果圖

4.4 溫升運行特性分析

根據(jù)起重機機構(gòu)不同的工作等級，分析卷筒一體化電機溫升受不同利用等級及載荷狀態(tài)影響的趨勢。在冷卻條件不變的情況下，L1輕載時，利用等級T6～T9時溫升變化如圖12、圖13所示。

圖12 L1 載荷不同利用等級300 min繞組最大溫升點曲線

圖13 L1 載荷不同利用等級300 min主要部件溫升對比

利用等級為T6時，不同載荷下的溫升狀態(tài)變化如圖14、圖15所示。

圖14 T6利用等級不同載荷300 min繞組最大溫升點曲線

圖15 T6利用等級不同載荷300 min繞組最大溫升點曲線

電機溫升隨利用等級和載荷狀態(tài)的提高都有一定的增加，而利用等級對溫升影響更大，尤其對于繞組處溫升。永磁體及轉(zhuǎn)子鐵心由于溫升相對較小變化較不明顯。

4.5 驅(qū)動裝置極限運行溫升分析

起重機設(shè)計手冊主要針對驅(qū)動機構(gòu)是傳統(tǒng)異步電機的形式，本文所討論的是以具有更強性能的永磁電機作為驅(qū)動主體的裝置，而且起重機在實際使用當中難免會出現(xiàn)連續(xù)大負荷運行的情況，這時需要考慮在極端情況下起重機驅(qū)動裝置適用的冷卻方式。

依然采用空心軸通入空氣的強制風冷方式，進口風速、風量、壓力與上文條件保持一致，對新型驅(qū)動裝置按滿載狀態(tài)下連續(xù)運行方式進行仿真。結(jié)果如圖16所示。

圖16 滿載連續(xù)運行時繞組最大溫升點曲線

驅(qū)動裝置在連續(xù)工作至接近120 min時繞組最大溫升已經(jīng)超過F絕緣所要求的100 K。其結(jié)果說明空心軸風冷結(jié)構(gòu)可短時運行在滿負荷連續(xù)工作制下，但是仍無法處理極端適用情況，所以此時需要考慮冷卻效果更好的水冷方式。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)起重機機構(gòu)的運行特性，基于Fluent流體場仿真軟件對一臺90 kW起重機新型驅(qū)動裝置進行仿真分析，設(shè)計不同散熱結(jié)構(gòu)，分析研究不同結(jié)構(gòu)以及不同運行方式對冷卻效果的影響。得出結(jié)論如下：

(1) 按照傳統(tǒng)起重機配異步電機設(shè)計要求，根據(jù)機構(gòu)工作級別，選取空心軸冷卻方式進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真計算，其溫升值滿足起重設(shè)備F級絕緣要求。

(2) 考慮以PMSM為核心組成的新型驅(qū)動裝置相對于傳統(tǒng)起重裝備在性能優(yōu)化上的提升，對其進行極限工作制仿真，得出空心軸風冷方式在F絕緣等級要求下可執(zhí)行的最大工作時間為120 min，且不適用于長期連續(xù)工作。

(3) 根據(jù)對溫升運行特性的比較計算，起重機利用等級相對于載荷對于繞組最大溫升值的影響更大。

(4) 通過有限體積法溫度場仿真得到設(shè)備在S3-30%斷續(xù)工作制、空心軸自然風冷狀態(tài)下運行450 min多個時刻溫升值,與實際樣機試驗溫升值相比較，誤差均小于10%，證明有限體積法計算的準確性。