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        某無刷勵磁機空氣流場改進措施研究

        2022-09-23 14:04:56趙忠霞張萬全
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年12期
        關(guān)鍵詞:風(fēng)路勵磁機入口

        趙忠霞 張萬全

        (1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730000;2.哈爾濱電氣國際工程有限責(zé)任公司,黑龍江 哈爾濱 150080)

        0 引言

        無刷勵磁機是為同步電機旋轉(zhuǎn)磁場提供直流電的電機,分為定子、轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流盤和外罩4個部分。從哈爾濱某電機廠引進原型機實體,使用密閉循環(huán)通風(fēng)方式進行內(nèi)部冷卻,但是在對原型機進行工程仿制的過程中,存在風(fēng)路不暢、局部溫升過高的情況。該文對原型無刷勵磁機空氣流場特性進行研究,并嘗試對通風(fēng)系統(tǒng)進行改進,對工程實際指導(dǎo)具有重要意義。目前,關(guān)于封閉空間旋轉(zhuǎn)部件流場及溫度場的研究有很多,但大多數(shù)研究對象都是1個旋轉(zhuǎn)部件,無法體現(xiàn)無刷勵磁機內(nèi)部流場的運動規(guī)律。

        1 建立物理及數(shù)學(xué)模型

        1.1 物理模型

        該文利用Gambit三維軟件構(gòu)建某無刷勵磁機物理屬性各不同的組及其組合件的幾何結(jié)構(gòu)圖,考慮真機結(jié)構(gòu)的對稱性及流場周期性,同時為了簡化運算,選取1/2的整機作為研究對象,通過布爾運算得到關(guān)于計算區(qū)域內(nèi)空氣區(qū)、固體區(qū)的三維物理模型,其物理模型簡圖如圖1所示。

        圖1 計算域內(nèi)的三維物理模型

        1.2 數(shù)學(xué)模型

        無刷勵磁機內(nèi)部流體為不可壓縮流體,即=С(為流體密度,kg/m;C為常數(shù))的流體,空氣流動處于紊流狀態(tài)也就是雷諾數(shù)>2 320(注:2 320為下臨界雷諾數(shù))。在旋轉(zhuǎn)參考坐標(biāo)系中建立三維流動以及傳熱穩(wěn)態(tài)控制方程,轉(zhuǎn)子、整流盤部分采用穩(wěn)態(tài)流動控制方程組,包括質(zhì)量守恒方程及動量守恒方程式,能量守恒方程式如公式(1)所示。

        式中:為散度,1/s;為流體的平均密度,kg/m;為溫度,K;為絕對速度矢量,m/s;為擴散系數(shù);S為單位體積內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量與定壓比熱c的比值。

        針對穩(wěn)態(tài)流動,流體質(zhì)量守恒方程如公式(2)所示。

        式中:、和分別為流體在、和方向上的速度,m/s;為密度,kg/m。

        勵磁機除轉(zhuǎn)子、整流盤外的其他部分位于三維固定直角坐標(biāo)系中,描寫紊流問題的控制方程組也包括質(zhì)量、動量與能量守恒方程及標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型。

        當(dāng)應(yīng)用CFD軟件計算時,必須選中定義Model選項中的剪切加熱(viscous heating);當(dāng)采用多重參考系定義邊界條件時,靜止的固體壁面與流體間無須設(shè)置相應(yīng)參數(shù),但是在旋轉(zhuǎn)的壁面與不旋轉(zhuǎn)的流體界面處,固體壁面Wall必須設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向;否則,貼壁黏性流體邊界層及由此產(chǎn)生的流體內(nèi)部剪切摩擦生熱計算模塊不能正確地與數(shù)學(xué)模型中的其他控制方程進行有效聯(lián)立;所有流體與固體壁面交界處均為默認耦合對流邊界,不需要設(shè)定對流換熱系數(shù)(由換熱微分方程求得)。換熱微分方程為固體與流體溫度場、流場聯(lián)系的關(guān)鍵方程。

        2 2個方案的流場特性比對

        2.1 計算條件

        為進一步了解所設(shè)計的勵磁機定轉(zhuǎn)子冷卻風(fēng)路是否合理,筆者對方案一紊流流場和溫度場進行三維數(shù)值模擬,通過三維流場數(shù)值模擬反演真機的實際運行狀態(tài)。方案一假設(shè)在定轉(zhuǎn)子上方的通風(fēng)口為入口,整流盤上方通風(fēng)口為出口,計算區(qū)域選取整機物理模型的1/2(圖1)。

        計算條件如下:轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為=4 800 r/min,入口壓力為0 MPa,出口壓力為0 MPa。中心剖面固體為固壁邊界,中心剖面的流體區(qū)域為周期性邊界。經(jīng)計算入口雷諾數(shù)遠大于2 320,屬于紊流范圍。某電機研究所通過電磁場計算得到各種損耗數(shù)值(表1),由表1可求出計算域內(nèi)各熱源數(shù)值,入口風(fēng)筒均接近主機風(fēng)扇前端,需要在計算三維流場后才能確定出、入口,根據(jù)電動機相關(guān)規(guī)范選取空氣入口溫度為40 ℃。當(dāng)計算求解域內(nèi)的流場及溫度場時,貼壁處須滿足標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)要求,方程組采用分離及隱式求解,壓力速度耦合方程組采用SIMPLE算法,方程均采用二階迎風(fēng)格式離散,經(jīng)多次網(wǎng)格調(diào)整,方程組獲得網(wǎng)格獨立收斂解。將無刷勵磁機計算域劃分成固體區(qū)域、流體區(qū)域,僅轉(zhuǎn)子和整流盤內(nèi)流體是旋轉(zhuǎn)空氣,會隨主軸一起旋轉(zhuǎn),其他均為靜止流體。

        表1 勵磁機內(nèi)定轉(zhuǎn)子部件損耗值(單位:W)

        在確定計算域后,選取勵磁機入口以及出口邊界條件作為壓力的入出口,相對壓強均為0 MPa;中心剖面的流體區(qū)域為周期性邊界,固體區(qū)域為固體壁面,近壁處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù),以=4 800 r/min的運行工況進行計算,方程求解控制參數(shù)相對誤差均為1×10,誤差在允許范圍內(nèi),方程組獲得收斂解。

        通過單一因素及方案一了解無刷勵磁機內(nèi)壓力、速度以及溫度等物理量的變化規(guī)律。在其基礎(chǔ)上,可以有針對性地改變通風(fēng)結(jié)構(gòu),達到降低峰值溫度及優(yōu)化設(shè)計的目的。由于方案一中冷卻轉(zhuǎn)子鐵心及線棒的空氣流到轉(zhuǎn)子鐵心及線棒需要的時間太長,同時進入遠離整流盤側(cè)轉(zhuǎn)子風(fēng)溝進入的風(fēng)量很少,因此冷卻效果不好。因為勵磁機中最重要的是要轉(zhuǎn)子及鐵心不超溫,所以方案二設(shè)計的入口在定轉(zhuǎn)子遠離整流盤的一側(cè),出口在定轉(zhuǎn)子上方。在消化吸收引進技術(shù)過程中,設(shè)計新型通風(fēng)風(fēng)路,通過比對確定最優(yōu)通風(fēng)方案,方案一的出、入口如圖2所示,方案二的出、入口如圖3所示。

        2.2 流場特性比對分析

        為了分析2個方案旋轉(zhuǎn)流區(qū)及固定流區(qū)內(nèi)的流動特性,該文匯總了進出口體積流量、計算域內(nèi)壓力范圍以及速度范圍等參數(shù),見表2。

        由表2可知,出、入口位置的選擇對風(fēng)路有很大的影響。方案一設(shè)定整流盤上方為入口、定子上方為出口,通風(fēng)風(fēng)路如圖2所示。經(jīng)入口進入勵磁機的空氣分為3個部分:第一部分在整流盤及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)作用,在入口處相互削弱,形成短路;第二部分受整流盤的負壓吸風(fēng)作用,冷卻遠離整流盤側(cè)轉(zhuǎn)子,最終進入定子背部,部分空氣直接通過定轉(zhuǎn)子氣隙進入整流盤側(cè)渦旋區(qū)做循環(huán)運動;第三部分空氣直接進入整流盤與轉(zhuǎn)子間的空腔,形成大的渦旋區(qū),部分空氣經(jīng)通風(fēng)槽(冷卻定轉(zhuǎn)子)后進入定子背部,小部分空氣直接從出口流出,大部分空氣重新參內(nèi)部循環(huán)。

        表2 2個方案流場特性對比

        圖2 方案一的通風(fēng)風(fēng)路圖

        方案二設(shè)定定轉(zhuǎn)子左側(cè)上方為入口、定子上方為出口,通風(fēng)風(fēng)路如圖3所示。經(jīng)入口進入的空氣一部分在冷卻左側(cè)端部線棒后進入定轉(zhuǎn)子氣隙中,冷卻轉(zhuǎn)子鐵芯及繞組部件;同時,在整流盤離心力和科氏力作用下,一部分空氣由整流盤右側(cè)口進入定子機座內(nèi),最終進入定轉(zhuǎn)子氣隙中,經(jīng)出風(fēng)口流出。

        圖3 方案二的通風(fēng)風(fēng)路圖

        2.3 溫度場特性比對分析

        無刷勵磁機內(nèi)部絕緣材料工作溫度不超過130 ℃,二極管工作溫度不超過110 ℃。根據(jù)經(jīng)驗可知,二極管發(fā)熱的可能性極小,可忽略。2個方案勵磁機內(nèi)最高溫度均未出現(xiàn)超溫情況,見表3。從溫度場分布可知,方案一的風(fēng)路布置方式會直接導(dǎo)致勵磁機內(nèi)部溫度分布的最大差值為10 ℃,雖然該方案冷卻效果能滿足安全要求,但是冷卻介質(zhì)在勵磁機內(nèi)部的循環(huán)流動性較差。

        表3 勵磁機內(nèi)部溫度臨界值分布

        由圖4~圖5可知,勵磁機內(nèi)最高溫度為116 ℃,位于端壓圈附近的端部轉(zhuǎn)子邊段鐵心中;轉(zhuǎn)子線棒最高溫度達112℃,位于遠離整流盤側(cè)的轉(zhuǎn)子邊段鐵心位置轉(zhuǎn)子線棒??傮w來說,計算域溫度呈現(xiàn)入口側(cè)溫度低、出口側(cè)溫度高的溫度分布特點。方案一入出口風(fēng)路的布置方式導(dǎo)致定子部件溫度分布左右不均勻,遠離整流盤側(cè)的部件溫升較大。

        圖4 極角10°及170°溫度分布云圖

        圖5 轉(zhuǎn)子鐵心及線棒溫度分布云圖

        由圖6~圖7可知,方案二中整流盤上方的外罩與機座間溫度較高(88 ℃~91 ℃)。2個旋轉(zhuǎn)體中間腔體內(nèi)空氣溫升較高,大部分空氣區(qū)域溫度為98 ℃~106 ℃,也進一步證明了該方案大部分流體參與了內(nèi)部冷卻,且冷卻效果較好。

        圖6 極角10°與84°截面位置溫度分布云圖

        圖7 勵磁機內(nèi)空氣區(qū)溫度分布云圖

        3 結(jié)語

        在通風(fēng)效果方面,方案一入口冷卻空氣體積流量q為0.044 00 m/s,方案二入口冷卻空氣體積流量q為0.326 52 m/s,從進風(fēng)空氣量來說,方案二的空氣量約為方案一的10倍,方案二的通風(fēng)效果更好。

        在溫度場方面,方案一內(nèi)勵磁機內(nèi)最高溫度為116 ℃,方案二內(nèi)勵磁機內(nèi)最高溫度為112 ℃,均不超溫,但是方案一呈現(xiàn)兩側(cè)溫度分布極其不均勻的特點。方案二的整流盤空氣區(qū)溫度為98 ℃~106 ℃,非常接近許用值(110 ℃),應(yīng)進一步改變冷卻空氣入出口位置及個數(shù),從而使整流盤區(qū)空氣順利出流,進而降低二極管附近空氣的溫度。

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