某無刷勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)冷卻數(shù)值模擬研究

路義萍，　張東學(xué)，　孫博，　王佐民，　李夢(mèng)啟

(1.哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

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某無刷勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)冷卻數(shù)值模擬研究

路義萍1，張東學(xué)1，孫博1，王佐民1，李夢(mèng)啟2

(1.哈爾濱理工大學(xué) 機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.哈爾濱電氣動(dòng)力裝備有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

摘要:為了研究隱極同步電動(dòng)機(jī)配套用無刷勵(lì)磁機(jī)的通風(fēng)方案中冷卻空氣的流動(dòng)路徑及冷卻特點(diǎn)，依據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理理論，采用有限體積法，建立了某新型無刷勵(lì)磁機(jī)相對(duì)地面結(jié)構(gòu)的1/2為物理模型，研究了無刷勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)冷卻方案的流動(dòng)路徑、流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，并給出了通風(fēng)方案的冷卻特點(diǎn)及流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分布特點(diǎn)。計(jì)算結(jié)果表明，該勵(lì)磁機(jī)方案的最高溫度位置出現(xiàn)在靠近整流盤側(cè)的轉(zhuǎn)子線棒端部，絕緣均不超溫。與某電機(jī)研究所采用等效風(fēng)路法所得該方案相同工況下計(jì)算值相比，該通風(fēng)方案數(shù)值模擬進(jìn)風(fēng)量誤差為5.6%，為進(jìn)一步優(yōu)化該勵(lì)磁機(jī)冷卻風(fēng)路系統(tǒng)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:無刷勵(lì)磁機(jī)；通風(fēng)方案；數(shù)值模擬；有限體積法；熱流場(chǎng)

0引言

近年來我國(guó)西氣東輸一線和二線管道工程已建成并投入輸氣，95%以上天然氣通過長(zhǎng)輸管線輸送到內(nèi)地，沿管道需增壓，壓縮機(jī)由高速隱極同步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，為長(zhǎng)輸管道持續(xù)加壓。與隱極同步電動(dòng)機(jī)配套的無刷勵(lì)磁機(jī)為機(jī)組的重要部分。無刷勵(lì)磁機(jī)不僅僅是實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換必不可少的部分，對(duì)隱極同步電動(dòng)機(jī)機(jī)組的安全、高效率持續(xù)運(yùn)行也尤為重要。無刷勵(lì)磁機(jī)的絕緣或者是整流盤上二極管工作環(huán)境溫度超過允許極限，都將影響勵(lì)磁機(jī)的壽命和機(jī)組的安全運(yùn)行，機(jī)組研發(fā)過程中，勵(lì)磁機(jī)與主機(jī)部分的通風(fēng)冷卻問題同等重要。因此，了解勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部的通風(fēng)冷卻方式，對(duì)指導(dǎo)勵(lì)磁機(jī)的設(shè)計(jì)及運(yùn)行必不可少。

近十幾年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直重視對(duì)勵(lì)磁機(jī)的研究。例如，文獻(xiàn)[1]介紹了空冷系列汽輪發(fā)電機(jī)無刷勵(lì)磁機(jī)的設(shè)計(jì)理念、結(jié)構(gòu)特色、關(guān)鍵工藝及投產(chǎn)應(yīng)用情況，文獻(xiàn)[2]對(duì)大容量勵(lì)磁機(jī)離心式風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)做了改進(jìn)，文獻(xiàn)[3]介紹了100MW汽輪發(fā)電機(jī)及勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的改進(jìn)，文獻(xiàn)[4]對(duì)勵(lì)磁機(jī)的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬和分析，文獻(xiàn)[5]對(duì)11相無刷勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行了額定工況及故障工況的仿真研究，文獻(xiàn)[6]對(duì)無刷勵(lì)磁機(jī)同步電動(dòng)機(jī)異常振動(dòng)進(jìn)行了故障分析，文獻(xiàn)[7]對(duì)三相或多相無刷勵(lì)磁機(jī)及旋轉(zhuǎn)整流系統(tǒng)故障診斷進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[8]給出了用非破壞性方法來檢測(cè)無刷勵(lì)磁機(jī)的整流盤故障，文獻(xiàn)[9]說明了旋轉(zhuǎn)無刷勵(lì)磁機(jī)到靜態(tài)無刷勵(lì)磁機(jī)的主要?jiǎng)?lì)磁系統(tǒng)的改造過程。由于整流二極管處于高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，在實(shí)際運(yùn)行中，二極管發(fā)生損壞的情況時(shí)有發(fā)生[10]。當(dāng)勵(lì)磁機(jī)運(yùn)行時(shí)，如果經(jīng)常發(fā)生磁極線圈過熱燒損現(xiàn)象[11]，將嚴(yán)重威脅機(jī)組的安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前，針對(duì)隱極電動(dòng)機(jī)用無刷勵(lì)磁機(jī)的熱流場(chǎng)研究方法，與大型發(fā)電機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)、汽輪發(fā)電機(jī)的一樣，大多數(shù)采用有限元法[12-14]、熱網(wǎng)絡(luò)法[15-16]、有限體積法[17-18]等，這幾種方法在當(dāng)今應(yīng)用比較廣泛，文獻(xiàn)[19]中BOGLIETTI A等綜合分析了熱網(wǎng)絡(luò)法、有限元法、有限體積法在電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，但在國(guó)內(nèi)外用實(shí)驗(yàn)方法來解決這類問題的文獻(xiàn)較為少見。

本文研究的隱極同步電動(dòng)機(jī)用無刷勵(lì)磁機(jī)屬于國(guó)外引進(jìn)技術(shù)消化吸收預(yù)研產(chǎn)品，其通風(fēng)方案中冷卻空氣的流動(dòng)路徑及冷卻特點(diǎn)還處于探索階段。本文以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論作為基礎(chǔ)，主要研究了出口位置在整流盤正對(duì)上方的方案，對(duì)其流場(chǎng)及溫度場(chǎng)進(jìn)行了CFD數(shù)值計(jì)算，得到了流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的模擬結(jié)果，并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。

1物理模型

研究的無刷勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)軸由高強(qiáng)度合金鋼鍛件加工而成，轉(zhuǎn)軸上銑出鍵槽及通風(fēng)槽。電樞鐵心是由高強(qiáng)度、抗疲勞的硅鋼片疊壓而成，兩端用壓圈固緊。電樞繞組由成型的線圈構(gòu)成，絕緣股線繞制成線圈之后，電樞繞組端部用無緯帶綁扎環(huán)支撐和固定。該無刷勵(lì)磁機(jī)主要由定子、轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)軸、雙側(cè)整流盤及機(jī)座構(gòu)成，見圖1。定轉(zhuǎn)子沿軸向共分布6個(gè)風(fēng)溝，風(fēng)溝的寬度為10 mm，靠近旋轉(zhuǎn)整流盤側(cè)風(fēng)溝標(biāo)號(hào)為1，其他2～6見圖1。

1～6—定子風(fēng)溝；7—機(jī)殼；8—機(jī)座；9—轉(zhuǎn)軸；10—雙側(cè)整流盤；11—機(jī)座環(huán)板；12—定子；13—轉(zhuǎn)子；14—二極管；15—軸套；16—絕緣墊板。圖1　計(jì)算域物理模型圖Fig.1　Computational domain of the physical model

在建模及計(jì)算的過程中考慮了如下幾點(diǎn)：1) 由于勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，故計(jì)算域選取整機(jī)沿軸的周向180°，即相對(duì)地面結(jié)構(gòu)的1/2；2)用Solid works軟件建立材料物性不同的固體模型；3)將無刷勵(lì)磁機(jī)的流體區(qū)域置于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和靜止坐標(biāo)系中。這使得三維流場(chǎng)、溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。

2數(shù)學(xué)模型及求解條件

2．1數(shù)學(xué)模型

通過計(jì)算得出入口處空氣的雷諾數(shù)Re遠(yuǎn)大于2 300，處于湍流狀態(tài)。計(jì)算域內(nèi)空氣視為不可壓縮流體，利用Fluent軟件，選擇多重參考系計(jì)算方法。其轉(zhuǎn)子、整流盤固體區(qū)域中的空氣處于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中，其他流體部分位于三維固定直角坐標(biāo)系中。

在溫度場(chǎng)計(jì)算求解過程中采用質(zhì)量、動(dòng)量與能量守恒方程及標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程湍流模型[4]，其通用控制方程如下：

div(ρUφ)=div(Γφgradφ)+Sφ。

(1)

式中：ρ為密度；φ為通用變量；Γφ、Sφ分別為廣義擴(kuò)散系數(shù)和廣義源項(xiàng)。

2．2計(jì)算條件

在額定工況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為3 120 r/min，某電機(jī)研究所通過電磁場(chǎng)計(jì)算得到了各種損耗數(shù)值，見表1。由表1可算得計(jì)算域內(nèi)各部分熱源數(shù)值。空氣所受重力與其他力相比較小，可以忽略不計(jì)。入出口風(fēng)筒均接至主機(jī)風(fēng)扇前端，因此，其表壓力均為0 Pa，空氣入口溫度按照電機(jī)規(guī)范取40℃。物理模型外周界機(jī)殼為壁面邊界，中心剖面轉(zhuǎn)子部分為周期性邊界。在計(jì)算過程中，匝間絕緣材料、銅繞組、軸均為各向同性材料，物性參數(shù)為常數(shù)，熱導(dǎo)率λ分別為0.22、387.6、31.8 W/(m·K)，而鐵心疊片為各向異性材料，熱導(dǎo)率λ沿疊片徑、切向的數(shù)值都為42.5 W/(m·K)，軸向(厚度方向)為0.57 W/(m·K)。

表1　勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部件損耗值

物理模型建完以后，需對(duì)其網(wǎng)格進(jìn)行劃分。在近壁面區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)的壁面函數(shù)法進(jìn)行處理，近壁面網(wǎng)格y+滿足標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)要求；方程組采用分離、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，最終獲得計(jì)算域的穩(wěn)態(tài)湍流流動(dòng)及傳熱耦合計(jì)算網(wǎng)格獨(dú)立收斂解。

3計(jì)算結(jié)果及分析

3．1速度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析

設(shè)計(jì)階段，廠商認(rèn)為定子上方風(fēng)筒為勵(lì)磁機(jī)出風(fēng)筒，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)實(shí)與想象相反，整流盤上方的出口為熱風(fēng)，屬于空氣出口。經(jīng)過流場(chǎng)反演，得到這種同軸布置3個(gè)旋轉(zhuǎn)部件(雙側(cè)整流盤+轉(zhuǎn)子)的電機(jī)內(nèi)部空氣流動(dòng)路徑，見圖2。圖2給出了兩個(gè)特征截面極角10°、120°速度矢量圖。

圖2　極角10°與120°截面位置速度矢量圖Fig.2　　　　Velocity vector diagram of polar angle　　　 10° and 120° section

由圖2可知冷卻空氣的具體走向，具體如下：取自于主機(jī)風(fēng)扇前端的流道中的冷空氣經(jīng)定子上方的進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入定子鐵心背部，大部分經(jīng)過定子鐵心邊段風(fēng)溝通過機(jī)座環(huán)板，進(jìn)入兩側(cè)的空氣區(qū)內(nèi)；另一小部分進(jìn)入定子風(fēng)溝中向下流動(dòng)，與經(jīng)轉(zhuǎn)軸通風(fēng)槽到達(dá)轉(zhuǎn)子風(fēng)溝甩出的空氣在氣隙旋轉(zhuǎn)射流混合，之后到左右兩側(cè)空氣區(qū)中。從定子邊段鐵心風(fēng)溝甩出靠近風(fēng)溝1的空氣和從轉(zhuǎn)子風(fēng)溝1甩出的在整流盤引力作用下經(jīng)氣隙沿軸向流出的空氣，被右側(cè)整流盤吸入，冷卻旋轉(zhuǎn)整流盤二極管；另一部分自軸與機(jī)座間的空隙進(jìn)入外罩與機(jī)座之間，冷卻機(jī)座與外罩后被左側(cè)整流盤吸入，冷卻其旋轉(zhuǎn)整流盤二極管。冷卻空氣從左右雙側(cè)整流盤上部出風(fēng)口流出,進(jìn)入主機(jī)風(fēng)扇前端，在主機(jī)內(nèi)循環(huán)。分析速度矢量圖可知：計(jì)算域內(nèi)的轉(zhuǎn)子風(fēng)溝空氣區(qū)、整流盤空氣區(qū)等的速度非常高，最高達(dá)到81.9 m/s，位置在旋轉(zhuǎn)半徑較大的整流盤處，氣隙區(qū)靠近轉(zhuǎn)子外表面處空氣受到壁面旋轉(zhuǎn)剪切粘性力的帶動(dòng)，速度也較大。在機(jī)座、機(jī)殼和定子風(fēng)溝2～4附近的冷卻空氣速度一般較低，低于5.6 m/s。在旋轉(zhuǎn)部件周圍會(huì)形成大小不一的渦旋，產(chǎn)生摩擦生熱，不利于空氣的流動(dòng)和各部件的冷卻。

計(jì)算結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子內(nèi)部旋轉(zhuǎn)半徑越大，空氣運(yùn)動(dòng)速度越大，定子風(fēng)溝內(nèi)部流動(dòng)復(fù)雜，能夠體現(xiàn)該種風(fēng)路布置的勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部流動(dòng)特征，故圖3給出了該方案定子風(fēng)溝3(Z=25 mm，r=200～295 mm)沿周向0～90°內(nèi)的速度矢量圖補(bǔ)充說明勵(lì)磁機(jī)內(nèi)速度分布特征。

圖3　定子風(fēng)溝3速度矢量圖Fig.3　　　　Velocity vector diagram of wind duct 3　　　 of stator part

由圖3可知，氣隙部分上部靠近定子側(cè)與下部靠近轉(zhuǎn)子部分的速度大小和方向顯著不同，界面明顯，靠近轉(zhuǎn)子外徑處的空氣在粘性剪切應(yīng)力作用下，一同旋轉(zhuǎn)，形成速度較大的流體邊界層，最大速度為47.9 m/s，隨著氣隙沿半徑增大方向，速度數(shù)值逐漸減小，速度梯度很大，且在與定子齒部相接處，空氣部分流進(jìn)、部分流出。一小部分向Y軸正方向進(jìn)入定子線棒周圍較小截面的鐵心齒部風(fēng)溝中，空氣速度數(shù)值大多在10.5 m/s以下，相對(duì)較?。豢拷B接筋(工字鋼)兩邊來自齒部的空氣速度較大，空氣流動(dòng)較復(fù)雜，定子線棒周邊的齒部與軛部中心位置空氣有明顯的渦流形成，冷卻空氣圍繞固體線棒旋轉(zhuǎn)，與背部相連處的定子風(fēng)溝上方冷卻空氣有進(jìn)有出，定子鐵心軛部上邊緣外為定子鐵心背部空氣區(qū)，風(fēng)溝軛部中每條定子線棒上方的空氣流通截面積沿徑向逐漸增大，定子疊片連接筋向心布置，因而形成中心局部速度較小。

3．2壓力場(chǎng)計(jì)算結(jié)果及分析

圖4給出了該方案極角30°、極角150°特征截面的壓力分布云圖進(jìn)行對(duì)比分析。

由圖4可知，總體而言，轉(zhuǎn)軸上方轉(zhuǎn)子槽空氣區(qū)處的壓力最低，壓力值為-2 721 Pa，緊挨機(jī)座左側(cè)入口的整流盤靠近軸套處空氣區(qū)負(fù)壓較低，壓力值-1 886～-1 052 Pa之間，吸風(fēng)作用較強(qiáng)，極角150°截面右側(cè)整流盤二極管下方靠近軸套和絕緣墊板之間局部空氣區(qū)壓力最高，壓力值為1 450 Pa，由于其間隙較小，故會(huì)出現(xiàn)憋風(fēng)現(xiàn)象，壓力較高，最低值與最高值壓差4 171 Pa，機(jī)殼與機(jī)座之間空腔中負(fù)壓較低，數(shù)值在-1 052～-635 Pa之間，轉(zhuǎn)子風(fēng)溝空氣區(qū)壓力在-1 886～-218 Pa之間，沿徑向壓力逐漸升高，主要由于轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和整流盤高速旋轉(zhuǎn)，形成負(fù)壓區(qū)，使定子上方進(jìn)風(fēng)口處的空氣順利進(jìn)入定轉(zhuǎn)子風(fēng)溝，勵(lì)磁機(jī)內(nèi)空氣入出口無靜壓差，除定子風(fēng)溝2～4入出口壓力差很小，由于定轉(zhuǎn)子風(fēng)溝中間通過厚度僅3 mm的環(huán)形氣隙空間連接，氣隙中空氣與軸向定轉(zhuǎn)子兩端空氣區(qū)存在壓差，導(dǎo)致氣隙內(nèi)空氣主要沿軸向流動(dòng)。

圖4　極角30°與150°截面位置壓力分布云圖Fig.4　　　　Static pressure contours of polar angle　　　 30° and 150° section

3.3三維溫度場(chǎng)分析

以勵(lì)磁機(jī)該方案極角10°、120°特征截面的溫度分布云圖5為例，說明勵(lì)磁機(jī)定轉(zhuǎn)子、絕緣、空氣溫度分布特點(diǎn)。

圖5　極角10°與120°截面位置溫度分布云圖Fig.5　　　　Temperature contours of polar angle　　　10° and 120° section

由圖5可看出，最高溫度位置出現(xiàn)在靠近整流盤的轉(zhuǎn)子線棒端部處，數(shù)值為107.1℃，顯然，與之相鄰的轉(zhuǎn)子端部線棒絕緣溫度遠(yuǎn)低于許用溫度130℃，而且整流盤二極管附近空氣溫度范圍為70～73℃。定子峰值溫度出現(xiàn)在線棒端部靠近整流盤部分，數(shù)值93℃，定子線棒溫度分布左右不對(duì)稱，另一端部溫度較低，數(shù)值范圍為76～80℃，左右溫度差為13℃左右，原因是遠(yuǎn)離整流盤端的邊段鐵心風(fēng)溝中冷卻空氣流量大。定子鐵心背部靠近空氣入口的部分溫度較低，靠近定子線棒附近齒部溫度較高。原因是冷空氣剛進(jìn)入定子鐵心背部時(shí)，溫度較低，齒部除空氣溫度高外，位置方面靠近溫度較高的定子線棒。機(jī)殼與機(jī)座之間，部分靠近出口處的空氣溫度較高，溫度范圍為66～70℃，機(jī)座下方溫度較低，溫度范圍為63～66℃。

圖6為該方案補(bǔ)充和更詳細(xì)展示轉(zhuǎn)子線棒的溫度分布，由圖可知，轉(zhuǎn)子線棒部分的峰值溫度為107.1℃，位置同上，遠(yuǎn)離整流盤側(cè)轉(zhuǎn)子線棒端部溫度為91～99℃，靠近整流盤側(cè)轉(zhuǎn)子線棒端部的溫度為97～107℃，位于遠(yuǎn)離整流盤側(cè)的轉(zhuǎn)子線棒端部溫度低于靠近整流盤側(cè)的，主要原因是靠近整流盤側(cè)有轉(zhuǎn)子線圈架緊鄰，線圈架材料導(dǎo)熱性能差，另外下部軸空氣槽入口部分被轉(zhuǎn)子引線阻擋，該側(cè)槽入口進(jìn)風(fēng)量較少，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線棒直段的溫度從左到右逐漸降低。此外，被空氣直接沖刷冷卻的風(fēng)溝位置處的繞組溫度低于周邊與鐵心疊片相鄰部分的繞組溫度，見圖6。

圖6　轉(zhuǎn)子線棒溫度分布云圖Fig.6　Temperature contour of rotor winding bar

3．4結(jié)果準(zhǔn)確性分析

勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)與空氣動(dòng)力場(chǎng)很復(fù)雜，目前不能獲得解析解。為了驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，一方面，將該方案的體積流量為0.283 m3/s，與某電機(jī)研究所采用等效風(fēng)路法所得該方案相同工況下的總通風(fēng)量0.3 m3/s做了對(duì)比，誤差為5.6%比較準(zhǔn)確。另一方面，數(shù)值模擬出的空氣入出口流動(dòng)方向與實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量結(jié)果一致。

4結(jié)論

本文通過對(duì)同軸上布置雙側(cè)整流盤和轉(zhuǎn)子三個(gè)旋轉(zhuǎn)部件、且整流盤和定子上方均布置風(fēng)筒的新型無刷勵(lì)磁機(jī)三維湍流流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算反演，得出以下結(jié)論：

1)冷卻空氣從定子上方風(fēng)筒入口進(jìn)入，大部分從定子鐵心邊段風(fēng)溝流出，從中部定子風(fēng)溝流出較少，在鐵心齒部線棒周圍及軛部空氣均形成渦流。從轉(zhuǎn)子風(fēng)溝甩出的空氣，在整流盤負(fù)壓引力作用下經(jīng)氣隙沿軸向流出。

2)轉(zhuǎn)軸上方空氣槽中空氣負(fù)壓最低，緊挨機(jī)座入口的整流盤靠近軸套處空氣區(qū)負(fù)壓較低，吸風(fēng)作用較強(qiáng)。

3)該方案勵(lì)磁機(jī)最高溫度位置出現(xiàn)在靠近整流盤側(cè)的轉(zhuǎn)子線棒端部，左右兩側(cè)溫度不對(duì)稱，轉(zhuǎn)子線棒直段的溫度從左到右逐漸降低，絕緣均不超溫，并且整流盤的工作環(huán)境溫度較低，符合要求。

參 考 文 獻(xiàn):

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(編輯：劉素菊)

Numerical simulation of ventilation cooling system for brushless exciter

LU Yi-ping1,ZHANG Dong-xue1,SUN Bo1,WANG Zuo-min1,LI Meng-qi2

(1.School of Mechanical & Power Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080；2.Harbin Electric and Power Equipment Company Limited, Harbin 150040, China)

Abstract:In order to study the flow path and cooling characteristic of cooling air of ventilation scheme for the brushless exciter of non-salient pole synchronous motor, the finite volume method was adopted, according to the computational fluid dynamics (CFD) principles. A half physical model of a new brushless exciter structure that is relative to the ground was established. The flow path, flow and temperature fields of ventilation scheme of the brushless exciter were researched. The cooling characteristic of ventilation scheme and distribution feature of flow and temperature fields were given. The results show that the position of the highest temperature of the brushless exciter appear in the end of rotor bar. And the insulation temperature of brushless exciter is not overheating. Compared with the value that is calculated by the institute of electronic machinery technology through Equivalent Network Method, the errors of total volume flow rate is only 5.6%, under the same condition. The results provide theoretical basis for further optimizing the air ducts structure of the exciter.

Keywords:brushless exciter; ventilation scheme; numerical simulation; finite volume method; flow and temperature fields

收稿日期:2015-07-09

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(50976027)；哈爾濱市科技創(chuàng)新人才基金(2013RFXXJ032)

作者簡(jiǎn)介：路義萍(1965—)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)楦黝愲姍C(jī)中流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬；

通訊作者:路義萍

DOI:10.15938/j.emc.2016.06.004

中圖分類號(hào):TM 311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1007-449X(2016)06-0026-06

張東學(xué)(1990—)，男，碩士，研究方向?yàn)闊o刷勵(lì)磁機(jī)中的流動(dòng)與傳熱數(shù)值模擬；

孫博(1980—)，男，博士，講師，研究方向?yàn)閭鳠崤c流動(dòng)數(shù)值模擬；

王佐民(1971—)，男，碩士，副教授，研究方向?yàn)闊犭娹D(zhuǎn)換；

李夢(mèng)啟(1966—)，男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)。