汪曉強(qiáng),佟文明

(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué) 國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心,沈陽(yáng) 110870)

0 引 言

與傳統(tǒng)電機(jī)相比,高速永磁電機(jī)具有高效、高功率密度以及高轉(zhuǎn)速等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及軍工鄰域[1-3]。高速電機(jī)功率密度大、結(jié)構(gòu)緊湊、散熱面積小,在高速運(yùn)行的過(guò)程中轉(zhuǎn)子過(guò)高溫升會(huì)導(dǎo)致永磁體發(fā)生退磁,對(duì)電機(jī)穩(wěn)定高速運(yùn)行產(chǎn)生威脅。因此,設(shè)計(jì)高速永磁同步電機(jī)有效的冷卻結(jié)構(gòu),并對(duì)其進(jìn)行冷卻效果分析具有重要意義[4-8]。

文獻(xiàn)[9-11]針對(duì)船用高速永磁電機(jī)提出了空-水混合冷卻的思路,為兆瓦級(jí)永磁發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)了徑向通風(fēng)冷卻系統(tǒng)、雙風(fēng)路冷卻系統(tǒng),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)以及數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證了可行性。文獻(xiàn)[12]針對(duì)一臺(tái)功率117 kW的超高速電機(jī),設(shè)計(jì)了一套半淹沒(méi)式油冷系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行冷卻,并采用有限體積法計(jì)算了冷卻介質(zhì)三維流動(dòng)時(shí)電機(jī)內(nèi)及冷卻介質(zhì)的溫度。文獻(xiàn)[13]針對(duì)一臺(tái)功率100 kW的高速永磁電機(jī),提出了一種定子徑向分段并開(kāi)軸向通風(fēng)孔的混合通風(fēng)系統(tǒng),簡(jiǎn)化了冷卻結(jié)構(gòu)的同時(shí)讓轉(zhuǎn)子部分得到了高效的冷卻。文獻(xiàn)[14]基于一臺(tái)功率1.12 MW的高速永磁電機(jī),采用了軸向通風(fēng)的空-水冷卻系統(tǒng)。文獻(xiàn)[15]針對(duì)一臺(tái)功率75 kW的高速永磁電機(jī),采用定子開(kāi)內(nèi)外通風(fēng)道冷卻,并建立了3D流固耦合模型與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行可行性驗(yàn)證。文獻(xiàn)[16]提出了一種機(jī)殼外部加冷卻翅片的自然風(fēng)冷系統(tǒng),電機(jī)內(nèi)部采用浸沒(méi)式油冷系統(tǒng),有效提高了電機(jī)內(nèi)部的散熱面積。在抑制轉(zhuǎn)子溫升方面,文獻(xiàn)[17]對(duì)超高速電機(jī)使用轉(zhuǎn)子護(hù)套周向開(kāi)槽的方法,減少了渦流損耗。文獻(xiàn)[18]針對(duì)一臺(tái)功率10 MW的高速感應(yīng)電機(jī)提出了一種“三進(jìn)兩出”的改進(jìn)通風(fēng)冷卻系統(tǒng),改善了電機(jī)內(nèi)部空氣流通環(huán)境。

本文以一臺(tái)功率450 kW、轉(zhuǎn)速23 000 r/min的高速永磁電機(jī)為例,提出了混合通風(fēng)與水冷結(jié)合的冷卻方案,應(yīng)用CFD商用軟件對(duì)空-水混合冷卻結(jié)構(gòu)的冷卻作用進(jìn)行研究。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu),搭建電機(jī)的3D整機(jī)求解域模型,對(duì)原樣機(jī)與空-水冷卻時(shí)電機(jī)內(nèi)的流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行了耦合計(jì)算,對(duì)比兩種冷卻方案的優(yōu)劣,確定了周向水道的最優(yōu)水速,研究了定子分段尺寸、定子軸向通風(fēng)孔數(shù)量以及不同風(fēng)量對(duì)電機(jī)各部位溫升的影響,驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)能有效降低永磁體的最高溫升,為高速大功率永磁電機(jī)提供了一個(gè)有效的冷卻方案。

1 求解模型及基本假設(shè)

1.1 數(shù)學(xué)模型

考慮到定子鐵心是由硅鋼片疊壓而來(lái)的,其傳熱系數(shù)的設(shè)置必須考慮介質(zhì)的各向異性。電機(jī)采用空氣-水混合冷卻,在電機(jī)內(nèi)部的熱交換中只考慮了兩種形式的傳熱和對(duì)流,不在真空中一般忽略輻射傳熱?；跓崞胶饣驹?介質(zhì)穩(wěn)態(tài)熱源傳熱的一般控制方程表示[19]:

式中:λx,λy,λz分別為求解域內(nèi)分別沿橫向、徑向、軸向三個(gè)方向上的導(dǎo)熱系數(shù);n代表垂直平面方向;q代表熱源密度;t1,t2分別為隔熱邊界和對(duì)流換熱邊界;a為對(duì)流散熱系數(shù);T為待求溫度;Ta為環(huán)境溫度。

電機(jī)內(nèi)部流體流動(dòng)過(guò)程中相應(yīng)三維流體的一般控制方程展開(kāi)[20]:

(2)

式中:u,v,w分別為流體速度在x,y,z方向上的分量;ρ為流體密度;φ為通用變量;S為源項(xiàng);Γ為廣義擴(kuò)散系數(shù)。

1.2 物理模型

功率450 kW高速永磁電機(jī)的主要參數(shù)如表1所示。根據(jù)參數(shù)建立的三維物理模型如圖1和圖2所示。為了滿足高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)械強(qiáng)度要求,電機(jī)采用的是實(shí)心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),并對(duì)繞組部位進(jìn)行了簡(jiǎn)化處理[21]。該電機(jī)采用具有徑向通風(fēng)的混合冷卻系統(tǒng),在殼體中心處設(shè)置一個(gè)通風(fēng)孔,兩邊設(shè)置兩個(gè)出風(fēng)口,定子則采用分段并在軛部留有軸向通風(fēng)孔的結(jié)構(gòu),冷卻空氣從通風(fēng)孔沿徑向進(jìn)入定子,由于定子分段,大部分通過(guò)定轉(zhuǎn)子氣隙沿軸向聚集在端腔并由機(jī)殼兩端出風(fēng)口排出,而一小部分通過(guò)定子軸向通風(fēng)孔進(jìn)入端腔后排出,定子鐵心產(chǎn)生的熱量則通過(guò)機(jī)殼設(shè)置的周向水道吸收。

圖2 徑向通風(fēng)的混合冷卻系統(tǒng)軸向截面示意圖

表1 450 kW高速大功率永磁電機(jī)主要參數(shù)

1.3 基本假設(shè)

為了簡(jiǎn)化求解過(guò)程,在計(jì)算時(shí)作如下假設(shè)[9,22]:

1)僅研究高速大功率永磁電機(jī)流體在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀況;

2)高速電機(jī)內(nèi)流體為紊流,采用k-ε湍流模型進(jìn)行求解;

3)電機(jī)計(jì)算域內(nèi)的流體流動(dòng)速度遠(yuǎn)小于聲速,認(rèn)為流體不可壓。

1.4 邊界條件

電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)溫度場(chǎng)與流體場(chǎng)的邊界條件如下:

1)周向水槽進(jìn)出口分別設(shè)置為速度入口,壓力出口,水的溫度設(shè)為300 K;

2)入風(fēng)口設(shè)為風(fēng)速度入口,風(fēng)速設(shè)為2.5 m/s,電機(jī)機(jī)殼兩端的出風(fēng)口設(shè)為風(fēng)壓力出口;

3)電機(jī)外部機(jī)座表面與兩側(cè)端蓋外表面設(shè)為自然對(duì)流,通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式得出散熱系數(shù)為14.2 W/(m2·K)。

2 冷卻方案的溫度場(chǎng)與流體場(chǎng)計(jì)算

2.1 最優(yōu)水速

為了配合電機(jī)徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu),機(jī)殼水道采用周向水道,圖3展示出不同機(jī)殼水道內(nèi)流體流速對(duì)繞組最高溫升和永磁體最高溫升的影響?？梢钥闯?機(jī)殼水道內(nèi)流體流速在1.0 m/s之前,繞組與永磁體最高溫升隨著流速增加急劇變小,到達(dá)1.0 m/s時(shí),相比水流速度為0時(shí)的永磁體溫升降低了10.53 K,繞組溫升降低了12.34%。此時(shí)隨著流體速度增加,定子繞組與永磁體溫升變化不明顯,繞組與永磁體溫升已經(jīng)趨于穩(wěn)定,故選取1.0 m/s的水流速度作為最優(yōu)水速。

圖3 水速-溫升變化規(guī)律曲線

2.2 溫度場(chǎng)分析與研究

圖4為有無(wú)通風(fēng)結(jié)構(gòu)時(shí)沿截面方向電機(jī)各部位溫度。表2為有無(wú)通風(fēng)結(jié)構(gòu)時(shí)的電機(jī)各關(guān)鍵部位最高溫升和平均溫升。

圖4 通風(fēng)結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)整體溫度分布的影響

從圖4及表2對(duì)比可以看出:

1)電機(jī)有無(wú)通風(fēng)結(jié)構(gòu)時(shí)的整體溫升分布基本相同,溫升最高的部位是轉(zhuǎn)子中心部,由于冷卻風(fēng)直接對(duì)轉(zhuǎn)子表面的吹拂作用,通風(fēng)時(shí)轉(zhuǎn)子部位最高溫升比不通風(fēng)時(shí)低39.86 K;

2)有通風(fēng)方案時(shí),冷卻空氣使電機(jī)內(nèi)部空氣進(jìn)行循環(huán)換流,電機(jī)內(nèi)部端腔空氣的平均溫升比不通風(fēng)時(shí)低25.5 K;

3)轉(zhuǎn)子的離心力作用,迫使冷卻空氣進(jìn)入到定子內(nèi)部,在定子徑向通道內(nèi)繞組與流動(dòng)的冷卻空氣直接接觸,有通風(fēng)結(jié)構(gòu)比沒(méi)有通風(fēng)結(jié)構(gòu)繞組最高溫升降低了26.56 K,如圖5所示。

3 通風(fēng)方案優(yōu)化與冷卻效果分析

3.1 冷卻方案概述

為了分析徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)的空-水混合冷卻系統(tǒng)的冷卻效果,本文提出一種軸向通風(fēng)的空、水混合冷卻方案作為對(duì)比方案,如圖6所示。軸向通風(fēng)具有制作加工簡(jiǎn)單、操作便捷等優(yōu)點(diǎn),但軸向通風(fēng)只對(duì)電機(jī)的一側(cè)有明顯的降溫效果,難以降低永磁體的最高溫升,為了更好地分析兩種通風(fēng)方案的冷卻效果,將軸向通風(fēng)方案的水道入水口水流速度設(shè)置為最優(yōu)水速1.0 m/s下,通風(fēng)道入口風(fēng)速設(shè)置為2.5 m/s,控制相同的入口邊界條件,對(duì)比兩種方案下的最高溫升。

圖6 軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)的軸向截面圖

3.2 冷卻效果分析與研究

軸向通風(fēng)方案與徑向通風(fēng)方案在同一條件下,分別對(duì)其進(jìn)行流固耦合仿真運(yùn)算,兩個(gè)方案下電機(jī)各部位溫升對(duì)比如表3所示。軸向截面溫度分布如圖7所示。結(jié)合圖7和表3可知,采用徑向通風(fēng)結(jié)構(gòu)電機(jī)永磁體的最高溫升相較軸向通風(fēng)的下降了8.12%,各個(gè)部位的溫升都相對(duì)下降。

圖7 軸向通風(fēng)方案的電機(jī)溫度分布圖

表3 不同通風(fēng)方案下各部位溫升

圖8為兩個(gè)方案下電機(jī)內(nèi)部氣體流速分布矢量圖。軸向通風(fēng)時(shí)氣隙的軸向平均速度為2.76 m/s,端腔的平均流速為1.12 m/s,結(jié)合前文所述流體場(chǎng)結(jié)果可知,混合通風(fēng)方案下軸向平均流速大于軸向通風(fēng)方案氣隙中的軸向平均流速,混合通風(fēng)方案提高了電機(jī)內(nèi)部的整體流體流速,使得內(nèi)部空氣流速分布更加合理,從而提高電機(jī)整體的散熱效果。

3.3 冷卻方案優(yōu)化

根據(jù)前文所述的混合通風(fēng)空-水冷卻結(jié)構(gòu)的流固耦合計(jì)算結(jié)果,可得高速永磁電機(jī)永磁體部位的最高溫升為165.91 K,比軸向通風(fēng)的空-水混合冷卻的冷卻效果好。為了達(dá)到對(duì)轉(zhuǎn)子部位更好的冷卻效果,本文進(jìn)一步對(duì)該通風(fēng)結(jié)構(gòu)的定子徑向通風(fēng)道寬度以及軸向通風(fēng)道數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。

定子徑向通風(fēng)道的寬度對(duì)電機(jī)繞組以及永磁體最高溫升的影響如圖9所示。從圖9中可以得出,在入風(fēng)口風(fēng)速保持不變時(shí),隨著定子徑向通風(fēng)道由寬度4 mm逐漸增加到12 mm,永磁體最高溫升由170.95 K降低到165.91 K,可見(jiàn)定子徑向通風(fēng)道寬度增加有利于電機(jī)內(nèi)部空氣流通。隨著進(jìn)一步加大通風(fēng)道寬度,繞組的長(zhǎng)度增加,繞組損耗隨之增加,最高溫升也逐漸增加。當(dāng)定子徑向通風(fēng)孔寬度為24 mm時(shí),永磁體最高溫升達(dá)到173.12 K,繞組的最高溫升在12 mm處為最低點(diǎn)129.13 K。因此,定子徑向通風(fēng)道寬度為12 mm是最優(yōu)方案。

圖9 定子徑向通風(fēng)道尺寸對(duì)電機(jī)溫升的影響

不同定子軸向通風(fēng)道數(shù)量對(duì)永磁體和繞組最高溫升的影響如圖10所示。當(dāng)定子軸向通風(fēng)孔數(shù)量分別取4、6、8、10、12、16時(shí),隨著通風(fēng)孔數(shù)量的增加,電機(jī)內(nèi)冷卻空氣加速流動(dòng),但開(kāi)孔減少了定子軛部與機(jī)殼之間的傳熱面積,從圖10的仿真結(jié)果看到,電機(jī)的最高溫升先減后增,在8個(gè)通風(fēng)孔方案時(shí)永磁體最高溫升為161.54 K,定子繞組的最高溫升為125.12 K,兩者均在8個(gè)通風(fēng)孔方案時(shí)達(dá)到最低。綜上所述,通風(fēng)孔數(shù)量取8個(gè)為最優(yōu)方案。

圖10 定子軸向通風(fēng)道數(shù)量對(duì)電機(jī)溫升的影響

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)一臺(tái)功率450 kW、轉(zhuǎn)速23 000 r/min的高速永磁同步電機(jī)采用流固耦合的方法進(jìn)行計(jì)算,得到以下結(jié)論。

1)混合冷卻系統(tǒng)中進(jìn)水口水流速度對(duì)定子鐵心及繞組溫升影響明顯,水冷系統(tǒng)直接與定子部位接觸,但對(duì)永磁體部位的溫升影響有限。

2)在最優(yōu)水速前提下,采用具有徑向通風(fēng)的混合通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻,水冷系統(tǒng)帶走了定子大量的熱量,電機(jī)的最高溫升在永磁體處,比沒(méi)有通風(fēng)結(jié)構(gòu)時(shí)最高溫升低19.37%。

3)在相同的入口邊界條件下,采用徑向通風(fēng)空-水冷卻結(jié)構(gòu)時(shí),永磁體的最高溫升相較軸向通風(fēng)結(jié)構(gòu)下降了8.13%,各個(gè)部位的溫升都相對(duì)下降。

4)對(duì)定子徑向通風(fēng)道寬度與定子軸向通風(fēng)孔數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化,最終優(yōu)化結(jié)果為定子徑向通風(fēng)道寬度12 mm、定子軸向通風(fēng)道8個(gè)。