張兆宇, 于思洋, 張?jiān)? 金石, 戚子豪, 張鳳閣

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870; 2.山東大學(xué) 電氣工程學(xué)院,山東 濟(jì)南 250061)

0 引 言

低速大轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、油田開采等領(lǐng)域有極其重要的應(yīng)用[1]。低速大轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)裝備多采用“常規(guī)轉(zhuǎn)速電機(jī)+減速齒輪機(jī)構(gòu)”的驅(qū)動(dòng)方式,這不僅使驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)體積增大、維護(hù)成本增加、系統(tǒng)可靠性和運(yùn)行效率降低,而且增加了系統(tǒng)加工制造、運(yùn)輸裝配等方面的難度,因此當(dāng)前低速大轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)系統(tǒng)正在向著直驅(qū)化方向發(fā)展[2]。永磁同步電動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、效率和功率因數(shù)高、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行范圍寬等優(yōu)點(diǎn),特別適合應(yīng)用于低速大轉(zhuǎn)矩直驅(qū)系統(tǒng)[3-6]。然而,常規(guī)低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)體積較大,其內(nèi)部空間未得到有效利用,轉(zhuǎn)矩密度較低[7-9]。針對(duì)這一問題,本文提出一種具有高轉(zhuǎn)矩密度的永磁/磁阻混合轉(zhuǎn)子雙定子低速大轉(zhuǎn)矩同步電機(jī),為保證該電機(jī)的可靠運(yùn)行,有必要對(duì)其溫度分布進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算并設(shè)計(jì)有效的冷卻系統(tǒng)。

文獻(xiàn)[10]針對(duì)永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)了一種集中參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型,該網(wǎng)絡(luò)可有效模擬電機(jī)定子軛、定子繞組、定子齒和永磁體四個(gè)重要部分。文獻(xiàn)[11]分別提出一種新型瞬態(tài)三維集中參數(shù)熱模型和三維有限元熱模型用以預(yù)測永磁輔助同步磁阻電機(jī)在不同故障條件下的非對(duì)稱溫度分布。文獻(xiàn)[12]針對(duì)非晶合金永磁電機(jī)溫度場的計(jì)算,提出一種改進(jìn)型有限公式迭代算法,該方法簡化了循環(huán)計(jì)算中對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的修正計(jì)算過程,降低了迭代計(jì)算量。文獻(xiàn)[13]建立了一種用于計(jì)算永磁電機(jī)瞬態(tài)溫度場的等效熱網(wǎng)絡(luò)模型,并分析了影響瞬態(tài)熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算準(zhǔn)確性的影響因素。文獻(xiàn)[14]提出一種新型永磁同步電機(jī)水冷系統(tǒng),該冷卻系統(tǒng)通過在電機(jī)鐵心中添加水冷板以達(dá)到更為理想的冷卻效果。文獻(xiàn)[15]研究了散熱風(fēng)刺不同尺寸對(duì)低速大轉(zhuǎn)矩永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱效果的影響規(guī)律,探討了轉(zhuǎn)子軸向和徑向通風(fēng)道對(duì)降低永磁體溫升的有效性。文獻(xiàn)[16]針對(duì)航空永磁電機(jī)提出一種風(fēng)冷與熱管相復(fù)合的新型冷卻系統(tǒng),并對(duì)其冷卻性能開展了相關(guān)研究工作。

綜上可知,國內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)永磁電機(jī)的溫升計(jì)算方法與冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)開展了大量研究工作。然而,本文所研究的電機(jī)結(jié)構(gòu)特殊,溫度場分布不規(guī)律,溫度計(jì)算與常規(guī)電機(jī)有較大不同,冷卻系統(tǒng)難以設(shè)計(jì)。為此,本文建立特殊結(jié)構(gòu)電機(jī)整機(jī)結(jié)構(gòu)的熱網(wǎng)絡(luò)溫度計(jì)算模型,推導(dǎo)電機(jī)結(jié)構(gòu)零件之間熱阻計(jì)算數(shù)學(xué)模型,根據(jù)電機(jī)溫度計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)一種針對(duì)該電機(jī)雙定子結(jié)構(gòu)的外水道內(nèi)水管的雙水冷冷卻系統(tǒng),研究分析冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)冷卻效果的影響,并通過仿真與實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證所提電機(jī)溫度計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和冷卻系統(tǒng)的有效性。

1 電機(jī)總體結(jié)構(gòu)

為避免電機(jī)發(fā)生掃膛現(xiàn)象,本文設(shè)計(jì)了一種適用于混合轉(zhuǎn)子雙定子低速大轉(zhuǎn)矩同步電機(jī)的雙端支撐拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),如圖1(a)所示?；旌限D(zhuǎn)子雙定子低速大轉(zhuǎn)矩同步電機(jī)由內(nèi)、外定子及永磁/磁阻混合轉(zhuǎn)子組成。其中:永磁體與外定子組成外單元電機(jī);磁障轉(zhuǎn)子與內(nèi)定子組成內(nèi)單元電機(jī);在永磁體與磁障之間添加隔磁環(huán),既使永磁體與磁障形成統(tǒng)一整體,又使兩者之間的磁路彼此獨(dú)立,方便電機(jī)的設(shè)計(jì)與控制。電機(jī)總體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示,其中為了方便內(nèi)定子繞組出線,提出一種空心靜止軸結(jié)構(gòu),即圖1(a)中的非驅(qū)動(dòng)軸采用空心結(jié)構(gòu)。電機(jī)主要尺寸如表1所示。

圖1 電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2 等效熱網(wǎng)絡(luò)模型的建立

2.1 等效熱網(wǎng)絡(luò)模型

混合轉(zhuǎn)子雙定子低速大轉(zhuǎn)矩同步電機(jī)結(jié)構(gòu)特殊且復(fù)雜,其溫度場計(jì)算方法與傳統(tǒng)電機(jī)有很大不同。為此,本文建立了該電機(jī)精確熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型,推導(dǎo)了考慮永磁/磁阻混合轉(zhuǎn)子及空心靜止軸等特殊結(jié)構(gòu)之間熱傳導(dǎo)的熱阻數(shù)學(xué)模型,并以此為基礎(chǔ)對(duì)電機(jī)各部分穩(wěn)態(tài)溫度進(jìn)行計(jì)算。

為簡化計(jì)算,做如下假設(shè):1)電機(jī)溫度沿圓周對(duì)稱分布,同一圓周面上的冷卻條件相同;2)腔內(nèi)空氣各點(diǎn)的溫度相同,即用同一節(jié)點(diǎn)進(jìn)行劃分;3)忽略集膚效應(yīng)對(duì)定子繞組的影響;4)忽略磁障轉(zhuǎn)子各導(dǎo)磁層間連接筋的影響?；谏鲜黾僭O(shè),將電機(jī)模型劃分為多個(gè)正交的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并將這些網(wǎng)格單元中心定義為所求溫度的節(jié)點(diǎn),得到如圖2所示的電機(jī)等效熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布圖,圖中“◎”代表熱源,“⊥”代表對(duì)流傳熱,“—”代表熱傳導(dǎo)。

圖2 等效熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布圖

2.2 熱阻數(shù)學(xué)模型分析與計(jì)算

本文主要針對(duì)結(jié)構(gòu)特殊的永磁/磁阻混合轉(zhuǎn)子與空心靜止軸的熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行詳細(xì)分析。

2.2.1 永磁體熱阻(以永磁體節(jié)點(diǎn)17為例)

永磁體節(jié)點(diǎn)17分別與齒節(jié)點(diǎn)14、永磁體節(jié)點(diǎn)18、轉(zhuǎn)子軛節(jié)點(diǎn)20、腔內(nèi)空氣節(jié)點(diǎn)70進(jìn)行換熱。

1)節(jié)點(diǎn)17與齒節(jié)點(diǎn)14之間熱阻可表示為

(1)

式中S1417和αg分別代表導(dǎo)熱面積和氣隙散熱系數(shù),可分別通過下式進(jìn)行求解:

(2)

(3)

式中:bt1、L和Z1分別代表外定子齒寬、電機(jī)軸向長度和外定子槽數(shù);λair代表空氣導(dǎo)熱系數(shù);Nu代表空氣努塞爾特系數(shù),其取值取決于若特洛系爾數(shù)Ta的大小。若Ta>41.2(氣隙中流體處于紊流狀態(tài)),則Nu=0.42Ta0.5Pr0.25,Pr代表空氣普朗特系數(shù);若Ta<41.2(氣隙中流體處于層流狀態(tài)),則Nu=2。其中,Ta可表示為

(4)

式中:rm=(r1+r2)/2,r1和r2分別代表外定子內(nèi)徑和轉(zhuǎn)子外徑;g為氣隙長度;ω為轉(zhuǎn)子角速度;v為空氣粘度。

2)節(jié)點(diǎn)17與節(jié)點(diǎn)18之間熱阻可表示為

(5)

式中:λPM為永磁體導(dǎo)熱系數(shù);S1718代表永磁體橫截面積。

3)節(jié)點(diǎn)17與節(jié)點(diǎn)20間熱阻可表示為

(6)

式中:hPM為永磁體厚度;hr為轉(zhuǎn)子軛厚度;λDW1為硅鋼片徑向?qū)嵯禂?shù);S1720代表永磁體與轉(zhuǎn)子軛接觸面積。

4)節(jié)點(diǎn)17與節(jié)點(diǎn)70之間熱阻可表示為

(7)

式中:S1770代表永磁體與空氣接觸面積;α1770代表永磁體與氣腔之間的散熱系數(shù),表達(dá)式為:

(8)

(9)

(10)

式中:Dy代表永磁體外徑;Rer為端面雷諾數(shù);γ代表空氣動(dòng)力粘度系數(shù);n為電機(jī)轉(zhuǎn)速。

2.2.2 轉(zhuǎn)子軛熱阻(以轉(zhuǎn)子軛部節(jié)點(diǎn)20為例)

轉(zhuǎn)子軛節(jié)點(diǎn)20分別與永磁體節(jié)點(diǎn)17、軸向轉(zhuǎn)子軛節(jié)點(diǎn)21、隔磁環(huán)節(jié)點(diǎn)24、腔內(nèi)空氣節(jié)點(diǎn)70進(jìn)行換熱。

1)節(jié)點(diǎn)20與節(jié)點(diǎn)17之間熱阻和節(jié)點(diǎn)17與節(jié)點(diǎn)20之間熱阻相同,即R2017=R1720。

2)節(jié)點(diǎn)20與節(jié)點(diǎn)21之間熱阻可表示為

(11)

式中:λDW2為硅鋼片軸向?qū)嵯禂?shù);S2021為導(dǎo)熱面積,可表示為

(12)

其中Dr1和Dr2分別表示轉(zhuǎn)子軛的外徑和內(nèi)徑。

3)節(jié)點(diǎn)20與節(jié)點(diǎn)24之間熱阻可表示為

(13)

式中:S2024代表轉(zhuǎn)子軛與隔磁環(huán)之間導(dǎo)熱面積;λAl代表鋁導(dǎo)熱系數(shù);hg為隔磁環(huán)厚度。

4)節(jié)點(diǎn)20與節(jié)點(diǎn)70之間熱阻可表示為

(14)

式中:S2070代表轉(zhuǎn)子軛與空氣接觸面積;α2070代表轉(zhuǎn)子軛端面散熱系數(shù),其計(jì)算與α1770相似。

2.2.3 隔磁環(huán)熱阻(以隔磁環(huán)節(jié)點(diǎn)23和節(jié)點(diǎn)24為例)

隔磁環(huán)節(jié)點(diǎn)23分別與隔磁環(huán)節(jié)點(diǎn)24、腔內(nèi)空氣節(jié)點(diǎn)70、轉(zhuǎn)子前端蓋節(jié)點(diǎn)54進(jìn)行換熱。

1)節(jié)點(diǎn)23與節(jié)點(diǎn)24之間熱阻可表示為

(15)

式中:S2324=S2425;L2324代表節(jié)點(diǎn)23與節(jié)點(diǎn)24之間熱傳導(dǎo)距離,可表示為

(16)

其中Lgch為隔磁環(huán)長度。

2)節(jié)點(diǎn)23與節(jié)點(diǎn)70之間熱阻可表示為

(17)

式中:α2370u和α2370d為隔磁環(huán)兩側(cè)對(duì)流散熱系數(shù);S2370u與S2370d分別為節(jié)點(diǎn)23與兩側(cè)空氣之間的接觸面積,可分別表示為:

(18)

(19)

3)節(jié)點(diǎn)23與節(jié)點(diǎn)54之間熱阻可表示為

(20)

式中:hzg為轉(zhuǎn)子前端蓋厚度;λzg為轉(zhuǎn)子前端蓋導(dǎo)熱系數(shù);S2354代表導(dǎo)熱面積。

隔磁環(huán)節(jié)點(diǎn)24分別與轉(zhuǎn)子鐵心節(jié)點(diǎn)20、軸向隔磁環(huán)節(jié)點(diǎn)23、25和第一導(dǎo)磁層節(jié)點(diǎn)28進(jìn)行換熱。

1)節(jié)點(diǎn)24與節(jié)點(diǎn)20之間熱阻和節(jié)點(diǎn)20與節(jié)點(diǎn)24之間熱阻相同,即R2420=R2024。

2)節(jié)點(diǎn)24與節(jié)點(diǎn)23之間熱阻和節(jié)點(diǎn)23與節(jié)點(diǎn)24之間熱阻相同,即R2423=R2324。

3)節(jié)點(diǎn)24與節(jié)點(diǎn)25之間熱阻可表示為

(21)

式中S2425代表導(dǎo)熱面積,可表示為

(22)

其中Dg1和Dg2分別表示隔磁環(huán)外徑和內(nèi)徑。

4)節(jié)點(diǎn)24與節(jié)點(diǎn)28之間熱阻可表示為

(23)

式中:hc1為第一導(dǎo)磁層厚度;S2428代表第一導(dǎo)磁層與隔磁環(huán)之間導(dǎo)熱面積。

2.2.4 轉(zhuǎn)子磁障熱阻(以轉(zhuǎn)子磁障節(jié)點(diǎn)28為例)

轉(zhuǎn)子磁障節(jié)點(diǎn)28分別與隔磁環(huán)節(jié)點(diǎn)24、軸向?qū)Т艑庸?jié)點(diǎn)29、第二導(dǎo)磁層節(jié)點(diǎn)31、內(nèi)定子齒節(jié)點(diǎn)37、腔內(nèi)空氣節(jié)點(diǎn)70進(jìn)行換熱。

1)節(jié)點(diǎn)28與節(jié)點(diǎn)24之間熱阻與節(jié)點(diǎn)24與節(jié)點(diǎn)28之間熱阻相同,即R2824=R2428。

2)節(jié)點(diǎn)28與節(jié)點(diǎn)29之間熱阻可表示為

(24)

式中S2829為導(dǎo)熱面積。

3)節(jié)點(diǎn)28與節(jié)點(diǎn)31之間熱阻可表示為

(25)

式中:S28311與S28312分別為第一導(dǎo)磁層面積和第二導(dǎo)磁層的導(dǎo)熱面積;e1,e2分別為第一導(dǎo)磁層和第二導(dǎo)磁層的厚度。

4)節(jié)點(diǎn)28與節(jié)點(diǎn)37之間熱阻可表示為

(26)

式中S2837代表磁障轉(zhuǎn)子第一導(dǎo)磁層與內(nèi)定子之間導(dǎo)熱面積。

5)節(jié)點(diǎn)28與節(jié)點(diǎn)70之間熱阻可表示為

(27)

式中:α2870代表磁障轉(zhuǎn)子端面與氣腔散熱系數(shù);S2870代表磁障轉(zhuǎn)子端面與氣腔散熱面積。

2.2.5 空心靜止軸熱阻(以空心靜止軸節(jié)點(diǎn)49和52為例)

空心靜止軸節(jié)點(diǎn)49分別與內(nèi)定子軛節(jié)點(diǎn)45、軸向靜止軸節(jié)點(diǎn)48和50進(jìn)行換熱。

1)節(jié)點(diǎn)49與節(jié)點(diǎn)45之間熱阻可表示為

(28)

式中:hy2代表內(nèi)定子軛厚度;S49451代表內(nèi)定子軛導(dǎo)熱面積;S49452代表靜止軸導(dǎo)熱面積;Dj1和Dj2分別代表靜止軸外徑和內(nèi)徑;λs代表軸導(dǎo)熱系數(shù);L4945代表裝配間隙,可表示為

L4945=(0.5+3Dj1)×10-5。

(29)

2)節(jié)點(diǎn)49與節(jié)點(diǎn)48之間熱阻可表示為

(30)

式中:L4948代表節(jié)點(diǎn)49與節(jié)點(diǎn)48之間熱傳導(dǎo)距離;S4948代表空心靜止軸軸向?qū)崦娣e。

3)節(jié)點(diǎn)49與節(jié)點(diǎn)50之間熱阻可表示為

(31)

式中S4950代表空心靜止軸軸向?qū)崦娣e,有S4950=S4948。

空心靜止軸節(jié)點(diǎn)52分別與機(jī)殼后端蓋節(jié)點(diǎn)60、軸向靜止軸節(jié)點(diǎn)51和53進(jìn)行換熱。

1)節(jié)點(diǎn)52與節(jié)點(diǎn)60之間熱阻可表示為

(32)

式中:L5260代表裝配間隙;Dt代表機(jī)殼后端蓋圓筒外徑;λhdg代表機(jī)殼后端蓋導(dǎo)熱系數(shù);S5260代表空心靜止軸與機(jī)殼后端蓋之間導(dǎo)熱面積。

2)節(jié)點(diǎn)52與節(jié)點(diǎn)51和53之間的熱阻為空心靜止軸同層軸向熱阻,計(jì)算方法與節(jié)點(diǎn)49與節(jié)點(diǎn)48和50的計(jì)算方法相同,不再贅述。

根據(jù)熱阻計(jì)算公式,計(jì)算出各個(gè)節(jié)點(diǎn)熱阻,并將熱阻轉(zhuǎn)化為熱導(dǎo),列寫出各節(jié)點(diǎn)的熱平衡方程,將其寫成矩陣形式,即

GT=W。

(33)

式中:G表示熱導(dǎo)矩陣;T表示溫度矩陣;W表示熱源矩陣,熱源來自于各節(jié)點(diǎn)所分配的損耗。

基于電機(jī)等效熱網(wǎng)絡(luò)模型和熱阻數(shù)學(xué)模型,編寫了電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算程序,得到了自然冷卻條件下電機(jī)各節(jié)點(diǎn)溫度平均值,如表2所示。

表2 各節(jié)點(diǎn)平均溫度

2.3 有限元驗(yàn)證

為驗(yàn)證所建立的等效熱網(wǎng)絡(luò)模型的正確性與有效性,采用有限元方法對(duì)電機(jī)在自然冷卻條件下的溫度場進(jìn)行仿真計(jì)算。電機(jī)主要結(jié)構(gòu)的溫度場仿真結(jié)果如圖3所示,有限元仿真與熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)值計(jì)算所得的電機(jī)各部分溫度結(jié)果如表3所示。

表3 有限元仿真與熱網(wǎng)絡(luò)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

圖3 混合轉(zhuǎn)子雙定子低速大轉(zhuǎn)矩同步電機(jī)溫度分布

由結(jié)果可知,兩種方法所得電機(jī)溫度分布特點(diǎn)相同,即電機(jī)溫度沿軸向呈對(duì)稱分布,外單元電機(jī)定子繞組端部溫度最高,而內(nèi)單元電機(jī)定子中間部分溫度最高,這與內(nèi)外單元電機(jī)結(jié)構(gòu)和自然冷卻的散熱方式有關(guān)。此外,熱網(wǎng)絡(luò)法數(shù)值計(jì)算結(jié)果與有限元仿真結(jié)果接近,誤差較小,這很好地證明了本文所建立的熱網(wǎng)絡(luò)模型的正確性與有效性。

3 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及效果分析

考慮電機(jī)溫度分布特點(diǎn)及加工裝配等問題,本文設(shè)計(jì)了一套雙水冷方案的冷卻系統(tǒng)。

3.1 外電機(jī)水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

按照水流的流動(dòng)方式,水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要可以分為軸向型、螺旋形和周向型,如圖4所示。對(duì)比水路結(jié)構(gòu)可知:軸向水路可以將進(jìn)出口設(shè)置在一側(cè),結(jié)構(gòu)簡單、易于制造,但水路拐角較多,水流阻力較大,進(jìn)出水口溫度差較大,易造成三相繞組溫度不一致;周向水路中冷卻水沿圓周方向流動(dòng),經(jīng)過一段軸向距離后沿圓周折返,從入水口循環(huán)流動(dòng)至出水口,盡管周向水路相比于軸向水路折返次數(shù)減少,但同樣存在拐角問題;螺旋型水路進(jìn)出水口設(shè)置在兩側(cè),冷卻水沿圓周方向?qū)訉恿鲃?dòng),水道相對(duì)平滑,阻力較小。鑒于常用水路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),本文采用螺旋水道形式對(duì)外單元電機(jī)進(jìn)行冷卻。

圖4 常見水路結(jié)構(gòu)

在水流速為0.5 m/s,散熱面積基本一致的條件下,研究電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)水道數(shù)量對(duì)外單元電機(jī)冷卻效果的影響及水道數(shù)量與流阻之間的關(guān)系,結(jié)果分別如圖5和圖6所示,其中水道數(shù)量與水道截面參數(shù)之間的關(guān)系如表4所示。

表4 電機(jī)額定參數(shù)

圖5 水道數(shù)量對(duì)外單元電機(jī)冷卻效果的影響

圖6 水道數(shù)量與流阻之間關(guān)系

由圖5和圖6可以看出,在水流速相同以及散熱面積基本一致的條件下,水道數(shù)量對(duì)外電機(jī)冷卻效果影響不顯著,但水道數(shù)量對(duì)流阻具有較大影響,水道數(shù)量越多,流阻越大。因此,綜合考慮散熱效果及流阻與水泵耗能關(guān)系等因素,在對(duì)外單元電機(jī)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),機(jī)殼的冷卻水道數(shù)量不宜過多。

圖7和圖8分別給出水道數(shù)量為4,水道截面長度為50 mm,水道截面寬度為10 mm條件下,電機(jī)額定運(yùn)行時(shí),冷卻水流速對(duì)外單元電機(jī)冷卻效果的影響以及水流速與流阻之間的關(guān)系。

圖7 水流速對(duì)外單元電機(jī)冷卻效果的影響

圖8 水流速與流阻之間的關(guān)系

由圖7和圖8結(jié)果可知,冷卻水初始流速對(duì)電機(jī)冷卻效果影響較大,隨著冷卻水流速增加,電機(jī)溫度逐漸降低,當(dāng)冷卻水流速在0～0.5 m/s之間,溫度變化顯著,當(dāng)水流速大于0.5 m/s后,隨著水流速的增加,溫度下降變緩。此外,隨著水流速的增加,流阻也逐漸增大。因此,在選擇螺旋水道對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻時(shí),應(yīng)合理選擇進(jìn)水口水速。

3.2 內(nèi)電機(jī)水冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)

相比于外單元電機(jī),內(nèi)單元電機(jī)散熱困難,溫升較高,且無法鋪設(shè)冷卻水道,為此本文提出在內(nèi)定子鐵心中插入冷卻水管的方式對(duì)其進(jìn)行冷卻,冷卻水管通過空心靜止軸內(nèi)腔引出,如圖9所示。

圖9 內(nèi)單元電機(jī)水冷結(jié)構(gòu)示意圖

在水管直徑為12 mm且電機(jī)額定運(yùn)行條件下,研究冷卻水管單管數(shù)量分別為16、20、24三種情況對(duì)內(nèi)單元電機(jī)冷卻效果及管道流阻的影響,其結(jié)果分別如圖10和圖11所示。由圖可知,水管數(shù)量越多,冷卻效果越好,但流阻越大。此外,考慮到該冷卻方式為在內(nèi)電機(jī)定子鐵心中直接插入冷卻水管,水管數(shù)量會(huì)對(duì)內(nèi)單元電機(jī)的磁路產(chǎn)生影響,水管數(shù)量越多,越易使內(nèi)單元電機(jī)磁路飽和,影響電機(jī)的運(yùn)行效果,因此水管數(shù)量的選擇要適中,不宜過多。

圖10 水冷管數(shù)量對(duì)內(nèi)單元電機(jī)冷卻效果的影響

在冷卻水管數(shù)量為16且電機(jī)額定運(yùn)行條件下,研究水管直徑分別為10、12、14 mm 3種情況對(duì)內(nèi)單元電機(jī)冷卻效果及管道流阻的影響,其結(jié)果分別如圖12和圖13所示。

圖12 冷卻水管截面積對(duì)內(nèi)單元電機(jī)冷卻效果的影響

圖13 冷卻水管截面積與流阻之間的關(guān)系

由圖12可知,在冷卻水管數(shù)量一定的條件下,水管截面積越大,冷卻效果越好。由圖13可知,在相同的進(jìn)水口流速下,冷卻水管截面積越小,流阻越大。盡管水管截面積越大對(duì)電機(jī)的冷卻效果越好,但在選擇冷卻水管截面積時(shí)同樣要考慮其對(duì)電機(jī)磁路的影響,水管截面積過大會(huì)使內(nèi)定子鐵心容易發(fā)生磁路飽和,影響其運(yùn)行性能。

3.3 基于雙水冷系統(tǒng)的熱計(jì)算

根據(jù)上述分析,選擇外電機(jī)機(jī)殼水道結(jié)構(gòu)為螺旋型結(jié)構(gòu),螺旋型水道數(shù)量為4,冷卻水流速為0.8 m/s;內(nèi)電機(jī)單根冷卻水管數(shù)量為16,水管直徑為12 mm,冷卻水流速為1 m/s。在冷卻系統(tǒng)作用下,電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的溫度分布結(jié)果如圖14所示。

圖14 雙水冷方式下電機(jī)溫度分布

由圖14結(jié)果可知,外單元電機(jī)定子最高溫度由137.0 ℃下降到了84.3 ℃,且最高溫度出現(xiàn)在外定子繞組端部,混合轉(zhuǎn)子最高溫度由193.1 ℃降低到了74.4 ℃,內(nèi)單元電機(jī)定子最高溫度由193.4 ℃降低到了84.8 ℃,且最高溫度同樣出現(xiàn)在內(nèi)定子繞組端部。電機(jī)各部分溫度明顯降低,確保了電機(jī)各部件的溫升都在允許范圍內(nèi),冷卻效果良好,證明了所提出的冷卻系統(tǒng)的合理性與有效性。此外,對(duì)比圖3可知,由于內(nèi)單元電機(jī)的冷卻是在內(nèi)定子鐵心中插入冷卻水管,因此其可有效降低內(nèi)定子鐵心溫度,從而使得內(nèi)單元電機(jī)在冷卻系統(tǒng)作用下,最高溫度出現(xiàn)在定子繞組端部,這也很好地證明了針對(duì)內(nèi)單元電機(jī)所設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的有效性。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為有效驗(yàn)證本文針對(duì)永磁/磁阻混合轉(zhuǎn)子雙定子低速大轉(zhuǎn)矩同步電機(jī)所建立等效熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性以及所設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的有效性,搭建了該種電機(jī)的溫度測試實(shí)驗(yàn)平臺(tái),如圖15所示。其中實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的額定數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 電機(jī)額定參數(shù)

圖15 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測試平臺(tái)

圖16給出了內(nèi)外冷去水流速均為1 m/s,外水道數(shù)量為4,水道截面寬度為10 mm,內(nèi)水管數(shù)量為16,水管直徑為12 mm,電機(jī)輸出額定功率時(shí)的溫度實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果。由結(jié)果可知,內(nèi)單元電機(jī)定子繞組端部穩(wěn)態(tài)溫度為79.5 ℃,外單元電機(jī)定子繞組端部穩(wěn)態(tài)溫度為73.6 ℃。由于實(shí)驗(yàn)時(shí)外水冷系統(tǒng)的水流速高于仿真所設(shè)置的水流速,且實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度低于仿真設(shè)置溫度,因此電機(jī)實(shí)驗(yàn)冷卻結(jié)果優(yōu)于仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了本文所設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的有效性和可行性。

圖16 樣機(jī)溫度測試曲線

5 結(jié) 論

本文針對(duì)永磁/磁阻混合轉(zhuǎn)子雙定子低速大轉(zhuǎn)矩同步電機(jī)的溫度場精確計(jì)算及冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)問題開展相關(guān)研究工作。建立該新型電機(jī)精確熱網(wǎng)絡(luò)溫度計(jì)算模型,推導(dǎo)了包括混合轉(zhuǎn)子和空心靜止軸等特殊結(jié)構(gòu)件在內(nèi)的電機(jī)各結(jié)構(gòu)件的熱阻解析數(shù)學(xué)模型,在此基礎(chǔ)上計(jì)算了電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的各節(jié)點(diǎn)穩(wěn)態(tài)溫度,并將解析計(jì)算結(jié)果與有限元仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,兩者計(jì)算結(jié)果的誤差較小,所反映出的電機(jī)溫度分布規(guī)律相同?；陔姍C(jī)溫度計(jì)算結(jié)果,設(shè)計(jì)了一種針對(duì)該電機(jī)特殊結(jié)構(gòu)的雙水冷冷卻系統(tǒng),采用解析與有限元相結(jié)合的方式研究分析了水道形狀、水道數(shù)量、水管數(shù)量、水管截面積等內(nèi)外水冷系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)冷卻效果的影響,進(jìn)而總結(jié)了該種電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,并通過有限元仿真與實(shí)驗(yàn)測試的方法驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)冷卻系統(tǒng)的有效性。