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          技術頻道

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          起重機直驅永磁同步電機流固耦合傳熱計算

          時間:2021-08-16 23:00:36來源:沈陽工業大學電氣工程學院 閔 健 馮桂宏 張炳義

          導語:?針對永磁同步電機在起重機直驅方面上的應用,從電機三維模型出發,對定轉子鐵心、槽、機殼、絕緣、端蓋等機械結構做了合理模型簡化,對比分析周向和軸向兩種水路結構對電機溫升的影響,選取合適的冷卻水路形式,并基于CFD 軟件fluent,對電機進行流固耦合傳熱分析,得到繞組、磁鋼等溫度分布規律,與試驗結果對比驗證其仿真結果正確性。此項研究為電機設計人員的熱負荷選取及電機結構設計提供了理論依據。

            0 引言

                 永磁電機應用到起重機上有著天然的優勢,其過載能力強、轉矩密度高的特點更適合起重機起升機構的基本要求。但相比于傳統的異步電機加減速器結構,用來直驅起重機的永磁電機體積必然增大,考慮到永磁電機在起重機上的安裝尺寸,需盡量縮小電機體積,而這樣會使定子繞組的電密升高,造成電機溫度升高,會降低電機的性能,嚴重則會引起永磁體不可逆退磁,損壞電機,造成工廠停產問題。所以,研究其熱負荷的選取至關重要[1]。

            一般來說分析電機溫升問題的方法大致有三種:公式法、等效熱路法、數值分析法。公式法是基于牛頓冷卻定律來計算電機中各個部分的平均溫升,但因其計算精度低,基本不能滿足電機熱分析的要求;等效熱路法則是通過熱路與電路的相似關系,電路中的串并聯規律也同樣適合于熱路。直觀簡單,工作量小,但缺點是不能計算出最高溫升點;數值分析法則是利用計算機求解數值計算的方法,準確度較高,能預測電機真實的溫度分布情況,可通過優化電機參數來得到電機最佳熱負荷的選取,提高轉矩密度。電機中流固耦合傳熱問題的數值分析法則采用有限體積法(FVM) 計算更加的準確[2]。

            本文對一臺起重機直驅永磁電機模型進行合理簡化,計算氣隙和機殼等效散熱系數,分析軸向和周向水路散熱情況,建立1/4 仿真模型,對其進行流固耦合傳熱仿真,計算關鍵部位的溫升情況,將仿真結果與試驗數據作對比,驗證了仿真方法的正確性。

            1 流固耦合傳熱原理

          水冷永磁電機的散熱問題屬于冷卻液與機殼水道之間的的對流換熱問題,無法作為已知條件預先給定熱邊界,而只能被看作為計算結果。這種動態的熱量交換問題就叫做耦合傳熱問題。

            起重機直驅永磁電機采用傳導與對流換熱的方式進行散熱。由能量守恒可知,在流固耦合的界面處,流體所吸收的熱量等于固體部分傳出的熱量,電機固體部分的傅里葉熱傳導方程和流體對流換熱方程可表示為

            公式1.jpg

                式中:kcond 為固體的導熱系數,hconv 為局部對流換熱系數,Tf 和Tw 分別為流體溫度和壁面處溫度。

            2 永磁電機耦合傳熱模型建立

                2.1 水路形式的選取

          水冷永磁電機的水道多為軸向水道和周向(螺旋)水道[3],如圖1 所示。對比分析兩種不同水路形式下的溫度分布、水流速分布、對流換熱系數分布,選取螺旋水道形式更合適。

             (a) 軸向水道 (b) 螺旋水道圖1 兩種水路形式的對比.jpg


            (a) 軸向水道 (b) 螺旋水道圖1 兩種水路形式的對比

            2.2 計算模型和基本假設計算模型

                 包括固體部分和流體部分,考慮到計算機資源的限制,此處必須對電機模型進行簡化[4,5];炯僭O:1) 定子線圈受熱均勻;2) 定子鐵心受熱均勻;3) 忽略轉子鐵心損耗;4) 把水看作不可壓縮的流體;5) 由于線絕緣、層絕緣和槽絕緣均非常薄,無需分別處理,將其作為一個整體處理,定子槽處理見圖2;6) 螺旋水道簡化為圓周型水道,可將電機等效為對稱模型,使用SolidWorks 建模1/4 模型如圖3 所示。

            槽內導體等效圖.jpg

            圖2 槽內導體等效圖

            

          三維溫度場的計算模型.jpg

            圖3 三維溫度場的計算模型

            2.3 各部分導熱系數的處理

          1)氣隙部分由于轉子旋轉且轉子鐵心表面有一定的粗糙度,所以當轉子旋轉時氣隙處的導熱能力會強與靜止的狀態,引入氣隙導熱系數λ δ,即用一個新的導熱系數將轉子等效為靜止狀態,這樣在單位時間內兩種狀態下氣隙處的流體所傳遞的熱量相等。

            假設定轉子表面光滑,計算氣隙處的雷諾數

            公式2.jpg

            式中:nφ 1 為空氣流動速度, 即轉子轉動線速度,且nφ 1=D2 n /60 ;n 為電機轉速 ;δ 為氣隙長度,

            d=(Di1-D2)/2;Di1、D2 分別為定子內徑和轉子外徑;ν 為流體的運動粘度?諝庠跉庀吨辛鲃拥呐R界雷諾數

            公式3.jpg

            當Re < Reair 時,判斷氣體流動為層流,導熱系數為空氣導熱系數;當Re > Reair 時,氣體流動為紊流,等效導熱系數

            公式4.jpg

            計算結果為:Re = 262.06,Reair = 587.19,所以氣隙處的有效導熱系數即為空氣導熱系數。

          2)機殼部分機殼表面散熱系數和外界風速環境有關,在室內無風環境下,根據經驗給定機殼表面散熱為8 W/(m2·K)。電機其余各部分導熱系數如表1 所示。

          表1.jpg

            2.4 熱源分布

          由于起重機直驅永磁電機轉速較慢,頻率較低,忽略電機轉動時的機械損耗和轉子鐵心的渦流損耗,主要發熱部分為繞組所產生的銅耗和定子產生的鐵耗,而由于永磁體對溫度的要求很高,且體積很小,故這部分發熱量不能忽略。電機各部分熱源發熱情況如表2 所示。

            電機各部分熱源發熱情況.jpg

            2.5 邊界條件

          為了得到導熱介質中的溫度分布情況,必須求解熱流微分方程,需給定其邊界條件:熱計算的邊界條件(第一類邊界條件)

            公式5.jpg

            式中:Tc 為物體邊界S1 上給定的溫度,f(x,y,z,t)為溫度函數。熱流邊界條件(第二類邊界條件)

            

          公式6.jpg

            式中:q0 為物體邊界S2 上得熱流密度;g(x,y,z,t)為熱流密度函數;λ 為垂直于物體表面的熱導率[6,7]。本文流體的雷諾數Re 大于2 300,為紊流,其湍動能與流體流速的關系為

           公式7.jpg

            式中:u 為流速,d 為水力直徑,v 為運動粘度,Re為雷諾數。

            3 溫度場計算及分析

           3.1 水路形式及其溫度仿真

          如前所述,在兩種水道面積相同的情況下,分別對兩種水道結構的機殼添加相同面熱源,使用fluent 對兩種水道的仿真分析,結果如圖4 所示。

            

          軸向水道計算結果.jpg

            圖4 軸向水道計算結果

            如圖5 所示,軸向水道散熱效果方面可達到要求,但在圓周方向的溫度梯度很大,造成三相繞組溫度不均,且在水流轉彎處流速很低出現了“死水區”,造成局部溫度過高的情況。而螺旋水道的溫度在周向的溫度梯度小,三相繞組的溫度分布基本一致,且水流流速很穩定,散熱效果也很好,最終根據對比選擇螺旋水道形式。

            

          周向水道計算結果.jpg

            圖5 周向水道計算結果

            3.2 永磁電機的整體仿真

          文中所述永磁電機為F 級絕緣,磁鋼牌號采用N38SH,考慮裕量后按B 級絕緣考核,繞組和磁鋼溫度不得超過130℃,應用fluent 對電機1/4 模型流固耦合仿真,環境溫度為40℃,入水溫度為60℃,冷卻參數具體見表3。經fluent 計算,仿真計算結果見圖6。圖6a 為電機仿真模型整體溫升情況,根據云圖分布規律可判斷出計算結果收斂,未出現不連續情況。圖6b 為繞組溫度的分布情況,繞組的最高溫度在端部處為99.42℃,這是因為端部繞組直接和腔內的空氣接觸,而空氣的導熱性能差,所以造成端部溫度稍高于中間。最低溫度為上層繞組的中間部位89.10℃,是因為上層繞組更接近水道,更容易將熱量帶走。繞組整體溫度相差不大,是因為銅的導熱系數大,所以溫度分布情況較均勻。圖6c 為永磁體溫度分布情況,其表現出中間溫度稍高于兩端,這是由于兩端除熱量傳導通過水冷機殼散出,還會通過腔內空氣散出一部分。最高溫度和最低溫度僅差1.03℃,且遠為到達溫度極限。

           電機各部分溫升云圖1.jpg 


           電機各部分溫升云圖2.jpg 


            圖6 電機各部分溫升云圖

            3.3 仿真與實驗數據的對比

          電機關鍵部位溫升( 平均值) 與試驗測得數據作對比,如下表所示。數據顯示,由于實驗環境溫度與仿真環境溫度存在偏差,所以仿真計算的溫度值與試驗測量的溫度也存在一些誤差,但總體來說相差不大?梢则炞C仿真結果的正確性。

          數據作對比.jpg

            4 結論

                 本文基于fluent 對起重機直驅永磁電機進行了溫度場計算,針對電機水冷散熱方式,對電機結構進行合理簡化,計算了氣隙和機殼部分的等效導熱系數,通過對比分析軸向和周向水路散熱的特點,選取周向水道的水路形式,并建立1/4 的仿真模型。通過加載熱源及水路參數,通過有限體積法計算得到電機的最高溫度為99.42℃,位于繞組的端部位置。永磁體最高溫度為77.22℃,未達到極限溫升。且繞組和永磁體在軸向方向上溫度變化范圍較小。通過對比試驗測得的數據,計算誤差較小,分別為機殼9.5%,繞組5.4%,永磁體7.4%,定子鐵心10.3%,對比結果驗證了本方法的可行性。


            參考文獻[1] 鄒麗. 稀土永磁電機在起重機行業的應用研究[J]. 起重運輸機械,2014(8):70-73.[2] 李巖,閆佳寧,夏加寬. 基于Fluent 的異步起動永磁電機溫度場分析[J]. 電氣工程學報,2015(9):15-21.[3] 劉旺. 低速大轉矩永磁同步電機設計與熱計算[D]. 沈陽:沈陽工業大學,2019.[4] Chen P,Shen Q P,Han X Y,et al.Analysis of Water Cooled Permanent Magnet Traction Motors Using 3D Fluent and Thermal Field[J].Applied Mechanics and Materials,2013,325-326:375-378.[5] Meng D,Liu Y,Zhang Q,et al.Calculation of 3D tempera ture field of the Submersible motor based on FLUENT[C]//Power & Energy Engineering Conference.2010.[6] 佟文明, 舒圣浪,朱高嘉,等. 基于有限公式法的水冷永磁同步電機三維溫度場分析[J]. 電工電能新技術,2016(7):36-41.[7] 馮桂宏,張書偉,張炳義,等. 擠塑機直驅永磁電機溫度場的計算[J]. 機電工程,2016(1):96-100.


          標簽: 電機

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