彭德其, 周晓辉, 晏才松, 李广
(1. 湘潭大学 机械工程学院,湖南湘潭 411105; 2. 中车株洲电机有限公司,湖南株洲 412000)
随着现代电机电磁负荷增强,电机内各部件温度也相应升高,温升过高则会直接影响电机使用寿命和运行稳定性[1-2]。因此,研究风冷方式电机内温升的计算及通风散热结构的优化具有重要意义。
目前国内外学者通过有限元法及有限体积法对电机流-固耦合场计算取得了显著成效[3-5]。丁树业等[6-7]通过有限体积法研究揭示了具有径向通风结构的5 MW双馈风力电机内流体流变特性及传热规律;霍菲阳等[8]研究了大型空冷汽轮发电机定子径向风道数量和尺寸对电机的温升分布特性影响;李伟力等[9-10]基于流-固耦合的方法分别分析了汽轮发电机和永磁电机径向通风沟数量与结构对定/转子内流体流动与温度的影响。Xiong等[11]通过改变大型汽轮发电机定子径向通风沟尺寸和通风槽钢材料提高定子冷却效果。Li等[12]采用流动网络法和有限体积法研究了330 MW大型汽轮发电机端部通风结构的改变对表面换热系数和端部温度的影响。以上都为集中于大型电机(定子铁芯外径大于990 mm)的流热特性研究,但中型高压电机结合流体场和温度场相关研究的成果相对较少。大型电机一般体积较大且转速较高,为有效降低温升通常采用径向通风冷却;而中型高压电机(定子铁芯外径在560～990 mm之间)转速与体积都较小,故采用轴向或轴径向混合通风结构冷却散热,三种通风结构风道结构形式截然不同,致使电机内流体流动和温升分布差别明显,因此需要对中型高压电机进行深入研究。温嘉斌等[13-15]以YKK型中高压异步电机为例,探讨了定子通风槽钢对单个径向风道内流体流动形态及温度场的影响,并分析内风扇内流体流动,但并未对电机整体进行研究,所以开展基于磁-流-固耦合研究中型高压电机通风冷却结构优化具有重要的工程设计理论指导意义。
本文以一台400 kW中型高压感应电机为例,提出新型轴径向混合通风结构,并通过对比分析定/转子径向风道的高度与数量影响,得到最优冷却结构组合方案,为中型高压感应电机的通风结构优化设计及温升特性分析提供了理论依据。
1.1 电机基本数据
以一台型号为YJK450-6,额定功率为400 kW的感应电机为例,建立了该电机的三维温度场模型,其基本参数如表1所示。
表1 电机基本参数
1.2 热源计算方法
样机稳定运行时的损耗值会转化为热源,同时通过电机各部件与周围环境进行换热。采用电磁-流体-固体耦合计算,通过Maxwell进行电磁场计算,得到电机各部件损耗(铁芯损耗、定/转子铜耗及杂散损耗),在Workbench平台利用磁热耦合方法将损耗映射到电机各部件作为热源,而杂散损耗主要集中于定/转子齿部,分为杂散铁损耗与杂散铜损耗,按定/转子齿部各1/2 施加热源。
2.1 基本假设
在三维温度场计算过程中,在不影响计算结果情况下进行简化求解,做如下假设[16-18]:
1) 只研究电机稳定状态时的空气流动;
2) 电机内部空气雷诺数Re>2 300,是湍流,经计算电机在该工况下采用标准k-ε模型进行求解更合适;
3) 电机内冷却空气流速远小于声速,不考虑冷却空气的压缩性;
4) 电机定子绕组端部采用拉直等效替代;
5) 对绕组绝缘以及层间绝缘等效为一个绝缘层;
6) 计算模型中的各项材料的物性参数不随温度变化;
7) 定子内外层绕组加载相同热流密度,忽略其集肤效应。
2.2 求解域物理模型
根据该电机结构周向对称性特征,在基本假设基础上,取电机周向1/6区域作为电机计算域物理模型,电机的物理模型如图1所示。电机现在采用轴向通风冷却方式,在电机一侧端部设有离心风扇,使得冷却空气在电机内部沿轴向方向经气隙及转子轭部风道循环流动。
图1 样机物理模型
2.3 温度场计算边界条件
温度场模拟计算采用流-固耦合数值方法,电机温度场模拟边界条件如下:
1) 入口边界条件设置成速度入口,根据电机给定的总冷却风量和入口截面积确定,为5 m/s;
2) 出口边界条件设置成压力出口,初始压力为标准大气压;
3) 电机周向截面边界设置为绝热面;
4) 转子部分流体转速与电机额定转速相同,设置为991 r/min;
5) 设置环境温度为300 K;
6) 旋转流体域两侧边界设置为旋转壁面,设置相对速度为0(相对于旋转流体域),静止流体域边界设置为静止壁面,旋转区域与静止区域相邻边界设置为交界面[19]。
2.4 气隙处理及散热系数的确定
图2为气隙流场剖面图,分为旋转和静止两个区域,旋转区域靠近转子,静止区域靠近定子,旋转区域跟随转子流体域同步转动,与转子流固耦合面设置为Moving Wall,相对速度设置为0[20]。
图2 气隙剖面图
感应电机转子旋转带动气隙中空气流动,使得温度场与流体场耦合,用空气的散热系数来描述气隙内静止区域气体的热交换能力,旋转区域空气的散热系数表达为[21]:
(1)
Reg=πr0δ(n/60γ)
(2)
式中:η=r0/R1,r0为转子铁芯外径,R1为定子铁芯内径;δ为气隙长度;n为电机转速;γ为空气运动黏度系数。
3.1 网格无关性和模型验证
为验证网格无关性,分别使用数量为265×104、320×104、367×104和412×104这4种网格方案进行模拟计算,通过对比绕组温升来选择最优网格数量。保证边界条件相同,模拟结果如表2所示。
表2 网格无关性验证
当网格数由367×104增加至412×104时,绕组温升变化仅有0.4 K,综合考虑计算机性能及计算精度,最终选择367×104网格进行后续计算,网格划分情况如图3所示。
图3 网格划分
为了证实模型和求解器的准确性,对该电机稳定运行时温升最高处(定子绕组处)进行温升监测,模拟得到定子绕组温升为75.3 K,符合本文电机绝缘等级要求,厂家提供的样机试验[22]得到定子绕组温升试验值为78.8 K,两者存在误差为4.44%,在可接受误差范围内,因此证实模型和求解器合理。
3.2 样机温度场结果与分析
样机温度分布如图4和图5所示。
图4 电机整体温度分布 图5 定子铁芯温度分布
由图4和图5可知,样机定子部分温升较高,最高温升出现在定子绕组处为84.1 K,而电机两端和转子部分温升相对较低。主要原因是冷却空气首先从电机一端进入进行冷却,然后经转子轭部通风孔及气隙进入电机内部,直接冷却转子铁芯,进而通过热传导方式间接冷却定子铁芯、转子导条和定子绕组,此时电机整体温度从电机进风区域沿轴向逐渐升高,这是由于冷却空气吸收热量使自身温度升高,冷却能力逐渐降低。接近出风口处,由于铁芯侧面和绕组端部与冷却空气直接对流接触,冷却能力提升,温度降低。
定子绕组温度分布和定子绕组沿轴向温升分布如图6和图7所示。从图6、图7中可得,定子绕组温升沿轴向长度表现为先增大后减小规律,最大温升位于靠近出风口端部位置,达到84.1 K。整体而言,靠近电机出风口端部位置定子内外层绕组温升相差较小,但是越靠近电机进风口处,内层绕组温升越小,这是因为冷却空气刚进入端部区域时,首先吹拂定子内层绕组、冷却效果好,冷却空气进入转子轴向风道后虽然距离内层绕组近,由于定子铁芯部分没有通风道,且此时冷却空气温度较高,对内外层绕组冷却能力相差很小。
图6 定子绕组温度分布
图7 定子绕组沿轴向温升分布
3.3 混合通风冷却结构对电机温升的影响
样机温度场的计算结果没有超过电机的绝缘等级B的温升限度,满足设计要求,但轴向通风结构的通风损耗较大、沿电机轴向温度分布差异大,局部温度过高。
因此,保持电机总体外部尺寸和铁芯长度不变,提出在定/转子铁芯添加径向风道方案,降低通风损耗,且提高温度分布均匀性,根据其轴向与周向对称原则,取电机周向1/6,轴向1/2区域作为其计算域物理模型,如图8所示。
图8 混合通风结构电机物理模型
中型高压电机通风槽钢高度一般为6～10 mm,厂家规定每段铁芯长为50～55 mm,这一方面取决于冷却系统的冷却能力和风阻,另一方面取决于设计加工影响。在此参数基础上进行优化研究,以获得更合适的径向风道高度及数量。根据通风槽钢规格及厂家所给数据,该类型电机径向风道高度通常选为8 mm,径向风道个数由铁芯长度决定为13个。建立了径向风道高度为6 mm、8 mm、10 mm和径向风道数量为12个、13个、14个的三维仿真模型,各模拟模型的边界条件除电机各部件损耗外都相同。电机所需风量为[23]
qv=∑Pn/cpρΔt
(3)
式中:qv为电机通风量;∑Pn为电机所产生的热损耗;cp为空气比热容,cp=1.005 kJ/(kg·K);ρ为空气密度,ρ=1.293 kg/m3;Δt为冷却空气通过电机后的温升,一般可取15～20 K。
首先模拟计算径向风道高度为8 mm、径向风道数量为13个,通过计算得到电机所需风量为0.678 m3/s,根据冷却风量和入口截面积可知入口风速为1.7 m/s,其它边界条件与2.3节设置相同。
为了分析沿轴向径向风道内流体特性,分别取1号和7号径向风道中心截面作为观察面,其流速分布如图9所示。
图9 径向风道内流速分布
由图9可知:
1) 沿轴向方向流体的速度分布趋势一致,1号和7号风道流速最大值分别为27 m/s、39 m/s,即沿轴向方向电机中部流量最大,越靠近两端流量越小。
2) 转子部分冷却空气流速明显大于定子部分,沿径向,转子冷却空气流速增大,在气隙处达到最大值。
3) 因为定子通风槽钢存在,定子部分的迎风面冷却空气流速大于背风面流速,但沿径向方向流速变化不大。这是由于冷却空气从进风口流入电机端部及各径向风道,转子旋转产生离心力,转子部分内流速沿径向不断增加,最大值位于气隙处。定子部分受进风口流速及转子旋转影响较小,所以径向上流速变化缓慢。
对比图4与图10,两种方案都是电机绕组部分温升最高,而电机转子部分及端部温升相对较低。但相较于样机的轴向通风结构,混合通风结构的电机整体温度分布呈现以电机铁芯为中心、两端温度对称分布,且分布均匀。图11表示定子铁芯温度分布,整体温升变化不大,即铁芯中间温升低,两端温升高,最高温升出现在靠近端部的位置,达82.2 K。
图10 混合通风结构电机整体温度分布 图11 混合通风结构定子铁芯温度分布
由图12、图13可知,沿电机轴向,内层绕组温升呈现先增大后减小的特征,外层绕组为逐渐减小并趋于平缓,最大值在绕组端部处为88.3 K。离电机端部位置越近,内层绕组温升明显低于外层绕组,靠近电机中间位置定子内/外层绕组温升相差不大,这是由于冷却空气刚进入电机端部气腔时,首先吹拂定子内层绕组,冷却效果好,冷却气体进入径向风道后虽然也是首先冷却内层绕组,但是定子径向风道内空间狭窄,并且此时冷却气体因吸收热量温度升高,对内/外层绕组冷却效果偏差较小。
图12 混合通风结构定子绕组温度分布
图13 混合通风结构定子绕组沿轴向温升分布
为评价量化两种冷却方案温度分布均匀性,提出温升均匀性系数η为
(4)
根据图7和图13中电机绕组沿轴向各点温升,计算得轴向通风结构电机与轴径向混合通风结构电机内/外层绕组温升均匀性系数如表3所示。
表3 两种结构温升分布均匀性系数
由表3可知,混合通风结构电机温升分布较原电机均匀性大大提高,其中内层绕组提升85.78%,外层绕组提升6.23%,且内层绕组较外层绕组温度分布均匀性更好。
当达到相同冷却效果时,混合通风结构所需总冷却风量为0.678 m3/s,入口速度1.7m/s,压降为324 Pa,而样机所给定总冷却风量为1.753 m3/s,入口速度5 m/s,压降为3 892 Pa,混合通风结构极大降低了压降,减少通风损耗,且电机温度分布更均匀,因此轴径向混合通风结构优于样机冷却结构。
3.4 径向风道高度对电机温升的影响
继续选择13个径向风道,分析径向风道高度对电机温升的影响,模拟边界条件除热源外相同,包括入口速度和出口压力等。径向风道高度由通风槽钢标准所决定,分别选为(高×宽)6 mm×3 mm、8 mm×4 mm、10 mm×4 mm,按电磁场理论分别计算不同径向风道高度时电机各部分损耗,并作为热源代入温度场数值分析中,损耗如表4所示。
表4 不同径向风道高度电机各部件损耗
同样以电机整体最大温升、定/转子铁芯平均温升、定子绕组平均温升为评价标准,分析比较径向风道高度对电机温升的影响,得出最优冷却效果的径向风道高度。
由图14可知,当径向风道高度为6 mm时,电机整体最大温升、定/转子铁芯平均温升、绕组平均温升均低于径向风道高度为8 mm、10 mm对应的温升,且整体最大温升相差最大,达到7.9 K,这是由于随着径向风道高度增大,流道面积变大,流动阻力减少,通风损耗也相应降低,然而电机各部件损耗却大幅增加,在总通风量不变的情况下,径向风道高度为6 mm时电机损耗与流阻变化对温升的影响达到最佳平衡,此时电机温升最小,冷却效果最好。分析表4和图14,可知径向风道高度对定子及绕组部分影响较大,因为该部分产生的损耗值相差大导致温升差别较大,而对转子部分影响较小。
图14 径向风道高度对电机各部件温升影响
3.5 径向风道数量对电机温升的影响
基于轴径向混合通风结构电机,选择最优冷却效果径向风道高度6 mm,分析径向风道数量对电机温升的影响,模拟边界条件与上节设置相同。而径向风道数量由每段铁芯轴向长度所决定,在保证铁芯总长不变的情况下,径向风道数量选择为12、13、14个。按电磁场理论分别计算不同径向风道数量时电机各部分损耗,并作为热源代入温度场数值分析中,损耗结果如表5所示。
表5 不同径向风道数电机各部件损耗
以电机整体温升、定/转子铁芯平均温升、定子绕组平均温升为评价标准,分析径向风道数量对电机温升的影响,得出最优冷却效果的径向风道数量。
由图15可知,当径向风道数量为13时,电机整体最大温升、定/转子铁芯平均温升、绕组平均温升均低于径向风道数量为12、14,但电机整体最大温升及各部件温升相差较小,定子铁芯平均温升相差最大为1.8 K。这是由于不同径向风道数量电机损耗相差小,差值在50 W以内,在相同总通风量的情况下,电机温升变化较小,径向风道数量为13时电机损耗与温升达到最佳平衡,电机温升最小,冷却效果最好。
图15 径向风道数量对电机各部件温升影响
上述分别分析了径向风道数量、高度等单个因素对电机温升影响,为了准确得到最佳冷却方案,因此进一步对径向风道高度及数量进行多因素结合分析,如图16所示。
图16 径向风道高度及数量对电机各部件温升影响
综合图16可知:1) 保证总通风量不变,当径向风道高度为6 mm、径向风道数量为13个时,绕组平均温升最低为72.9 K,与其他结构方案相比较,温升最大减少8.8 K,冷却性能提高10.8%。因为在此条件下电机各部件损耗值与其所需冷却风量的关系达到临界值,电机各部件平均温升最低,冷却效果最好。2) 径向风道结构参数对定子区域温升影响较大,对转子区域温升影响较小,这是由于转子旋转导致转子区域空气流速大,但在定子区域流速较小,径向风道参数变化对转子区域流速影响远远小于转子旋转的影响,对定子区域流速影响较大。3) 径向风道数量一定时,不同高度电机温升相差最大为9.7 K,而径向风道高度一定时,不同数量电机温升相差最大为3.3 K,可知径向风道高度对电机温升影响明显大于径向风道数量,与两者对电机内部损耗和流阻的影响有较大关系。
1) 相较轴向通风结构,轴径向混合通风结构降低了电机通风速度和压降,又使得温度分布更加均匀,在达到相同冷却效果时,内外层绕组均匀性分别提高了85.78%和6.23%。
2) 电机温升达到稳定后,定子区域温升最高,温度最高点位于定子绕组端部,定子铁芯轭部温升高于齿部;转子区域温升较低,且相差较小。
3) 基于轴径向混合通风结构电机,改变径向风道高度及数量,可以改善电机不同径向风道结构产生的损耗与流阻,达到降低电机温升,提高冷却效果的目的,且径向风道高度对电机温升的影响大于径向风道数量。
4) 综合考虑径向风道高度和数量对电机温升的影响,当高度为6 mm、数量为13个时,电机温升最低,轴径向混合通风结构电机冷却效果达到最佳。
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