某軸向通風(fēng)無刷勵(lì)磁機(jī)三維流場數(shù)值模擬

路義萍　李會(huì)蘭　韓家德　劉莉

摘要：為了研究某軸向通風(fēng)無刷勵(lì)磁機(jī)的流場特點(diǎn)，依據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理，采用有限體積法，建立該勵(lì)磁機(jī)三維通風(fēng)物理模型，并給出相應(yīng)的邊界條件，采用fluent軟件對(duì)廠商提出的兩個(gè)方案的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，兩方案的流動(dòng)跡線特征不同，勵(lì)磁機(jī)入出口無壓差，定、轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)溝間出現(xiàn)環(huán)流；入出口壓差為742 Pa時(shí)，定、轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)溝中的空氣從風(fēng)溝中直接流出并進(jìn)入出風(fēng)筒，采用有限體積法與等效風(fēng)路法所得方案二的入口體積流量誤差為O，04%，在工程允許范圍內(nèi)，證明了結(jié)果的合理性，研究結(jié)果可為同類型勵(lì)磁機(jī)的風(fēng)路設(shè)計(jì)提供參考，

關(guān)鍵詞：流場；數(shù)值模擬；軸向通風(fēng)；無刷勵(lì)磁機(jī)

DoI：10.15938/j.jhust.2016.04.011

中圖分類號(hào)：TMl21

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2016）04-0059-06

0引言

無刷勵(lì)磁機(jī)是通過轉(zhuǎn)軸上布置的整流盤將交流電整流成直流，為同步電機(jī)（主機(jī)）提供勵(lì)磁電源的旋轉(zhuǎn)電機(jī)…，其冷卻情況直接影響機(jī)組的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，由于冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理造成勵(lì)磁機(jī)磁極線圈過熱燒損的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生為了保證勵(lì)磁機(jī)內(nèi)繞組溫升在安全范圍內(nèi)，使勵(lì)磁機(jī)能夠長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，迫切需要像發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)等一樣，采用實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬的方法研究其內(nèi)部的熱流場分布，為勵(lì)磁機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

目前，國內(nèi)外研究者對(duì)勵(lì)磁機(jī)做了大量的研究并取得了顯著的成就，文分別介紹了空冷汽輪發(fā)電機(jī)用、水輪發(fā)電機(jī)用以及核電用的無刷勵(lì)磁機(jī)的設(shè)計(jì)原則和主要的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，文介紹了將無刷勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)換為靜態(tài)勵(lì)磁機(jī)的方案，解決了無刷勵(lì)磁機(jī)的振動(dòng)和維護(hù)問題，旋轉(zhuǎn)整流盤是無刷勵(lì)磁機(jī)重要的整流部件，對(duì)此，研究者在整流電路設(shè)計(jì)及故障診斷方面也做了大量的研究，但是目前公開發(fā)表的文獻(xiàn)中對(duì)無刷勵(lì)磁機(jī)的熱流場研究較少，尤其對(duì)軸向通風(fēng)無刷勵(lì)磁機(jī)的流場特性的研究很少，所以采用數(shù)值方法研究軸向通風(fēng)無刷勵(lì)磁機(jī)內(nèi)整體流場特性具有一定的工程實(shí)際價(jià)值，

本文研究的無刷勵(lì)磁機(jī)屬于國外引進(jìn)二次開發(fā)的新產(chǎn)品，主軸上布置轉(zhuǎn)子和整流盤兩個(gè)旋轉(zhuǎn)部件，采用軸向通風(fēng)系統(tǒng)即定轉(zhuǎn)子鐵心僅開設(shè)軸向通風(fēng)溝（簡稱定、轉(zhuǎn)子風(fēng)溝），其通風(fēng)結(jié)構(gòu)和采用的通風(fēng)系統(tǒng)均不同于文，目前廠商根據(jù)電磁計(jì)算的結(jié)果，確定了勵(lì)磁機(jī)核心部分尺寸，其通風(fēng)冷卻風(fēng)路還處于探索階段，考慮勵(lì)磁機(jī)損耗較小，有些勵(lì)磁機(jī)定轉(zhuǎn)子均采用軸徑向風(fēng)溝冷卻，僅依靠旋轉(zhuǎn)自吸風(fēng)作用吸入冷卻空氣，即人出口無壓差時(shí)仍能安全運(yùn)行，本文研究的勵(lì)磁機(jī)僅有軸向冷卻，定轉(zhuǎn)子鐵心較短，于是廠商提出研究兩種冷卻方案下流場特性，方案一：勵(lì)磁機(jī)空氣入出口均接在主機(jī)風(fēng)扇前端的流道，入出口間的壓差為0 Pa，即勵(lì)磁機(jī)依靠旋轉(zhuǎn)自吸風(fēng)冷卻本身部件；方案二：將人口接在主機(jī)風(fēng)扇后端的流道，出口位置接于風(fēng)扇前端的流道，即利用布置在主機(jī)端部空氣入口處的風(fēng)扇前后靜壓差742 Pa，使空氣進(jìn)入勵(lì)磁機(jī)內(nèi)，該數(shù)據(jù)由廠商提供，屬于風(fēng)扇工作點(diǎn)壓力數(shù)值，流場特性決定冷卻效果，因此流場研究很重要。

1.物理模型

本文研究的勵(lì)磁機(jī)屬于外置型勵(lì)磁機(jī)，通過方形風(fēng)筒和主機(jī)風(fēng)道相連，進(jìn)入勵(lì)磁機(jī)內(nèi)的空氣為主機(jī)循環(huán)空氣的一少部分，理論上冷卻空氣的走向?yàn)閺膭?lì)磁機(jī)人口進(jìn)入的冷卻空氣沿風(fēng)筒從進(jìn)風(fēng)筒側(cè)進(jìn)入勵(lì)磁機(jī)內(nèi)，沖刷整流盤后分三路進(jìn)入定、轉(zhuǎn)子風(fēng)溝和氣隙中，吸收定轉(zhuǎn)子鐵心和繞組熱量后，進(jìn)入出風(fēng)筒，然后從出口流出，進(jìn)入主機(jī)，見圖1、2，

該勵(lì)磁機(jī)軸向上轉(zhuǎn)子端部局部結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，周向上引線非周期性布置（見圖3b），故建立了整機(jī)三維流場的計(jì)算域模型，見圖2，其中勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)空氣區(qū)，見圖3。

2.數(shù)學(xué)模型及求解條件

2.1數(shù)學(xué)模型及計(jì)算條件

數(shù)學(xué)模型選取考慮如下因素：

1）勵(lì)磁機(jī)內(nèi)空氣流速遠(yuǎn)小于聲速，可視為不可壓縮流體，流體物性參數(shù)視為常數(shù)；

2）僅研究穩(wěn)定狀態(tài)勵(lì)磁機(jī)內(nèi)的空氣流動(dòng)，經(jīng)計(jì)算，勵(lì)磁機(jī)內(nèi)空氣流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，

3）重力與其它力相比很小，對(duì)空氣流動(dòng)的影響可以忽略，

在多重參考系（旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系和靜止坐標(biāo)系）下，對(duì)整機(jī)進(jìn)行流場數(shù)值計(jì)算時(shí)，布置在主軸上的整流盤和轉(zhuǎn)子相對(duì)定子作高速旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)整流盤和轉(zhuǎn)子內(nèi)的空氣旋轉(zhuǎn)，上述空氣區(qū)置于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，其他置于靜止坐標(biāo)系中，流場求解時(shí)控制方程組中包括質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程，其通用控制方程如下：

此外，控制方程組中還應(yīng)包含反映湍流特性的湍流輸運(yùn)方程，本文采用使用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)k-6兩方程模型，見文。

2.2邊界條件及求解設(shè)置

本文選擇壓力入、出口邊界條件，根據(jù)廠商提供的數(shù)據(jù)：勵(lì)磁機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1000 r/min，方案一人、出口表壓均為0Pa，方案二人口表壓為742 Pa，出口表壓為0Pa，近壁面處采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理，采用二階迎風(fēng)格式離散控制方程組，所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的離散方程采用分離、隱式求解器求解，壓力與速度耦合方程組選用SIMPLE算法，迭代計(jì)算至所有殘差（continuity，x-velocity，y-velocity，z-vilocity以及k和s）均小于1×10，多次網(wǎng)格調(diào)整，最終獲得網(wǎng)格獨(dú)立收斂解。

3.數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1流量分配及流動(dòng)跡線分析

進(jìn)入勵(lì)磁機(jī)的冷卻空氣根據(jù)風(fēng)道阻力及其內(nèi)部的靜壓大小，沿流動(dòng)方向自行分配流量，表1給出了數(shù)值模擬監(jiān)測到的兩方案的風(fēng)量分配情況，定子風(fēng)量、轉(zhuǎn)子風(fēng)量和氣隙風(fēng)量分別表示各部分軸向?qū)ΨQ面處監(jiān)測到的體積流量的總和，其中“+”、“一”表示風(fēng)溝或氣隙中空氣的流向，“+”表示空氣從靠近整流盤側(cè)的定、轉(zhuǎn)子風(fēng)溝口或氣隙口流進(jìn)，從遠(yuǎn)離整流盤側(cè)的定、轉(zhuǎn)子風(fēng)溝口或氣隙口流出；“一”含義與“+”相反，

從表1可以看出人出口不同壓差時(shí)，兩方案的流量分配情況差別較大，方案一入出口間無壓差時(shí)，定子風(fēng)量最大，轉(zhuǎn)子風(fēng)量次之，氣隙風(fēng)量最小；方案二入出口間壓差為742Pa時(shí)，定子風(fēng)量最大，氣隙風(fēng)量次之，轉(zhuǎn)子風(fēng)量最小，且與方案一相比，增大入出口壓差后，定子風(fēng)量和氣隙風(fēng)量增加較多，分別約增加59，7%和417%，而轉(zhuǎn)子風(fēng)量約減小28，4%，

此外，方案一即入出口間無靜壓差即僅靠旋轉(zhuǎn)自吸風(fēng)冷卻時(shí)，定子和氣隙風(fēng)量為正值，表明定子風(fēng)溝和氣隙中的空氣流向和理論預(yù)期一致，轉(zhuǎn)子風(fēng)量為負(fù)值，表明空氣從遠(yuǎn)離整流盤側(cè)的轉(zhuǎn)子風(fēng)溝口流進(jìn)，從靠近整流盤側(cè)的轉(zhuǎn)子風(fēng)溝口流出，即流向和理論預(yù)期相反且數(shù)值約占定子風(fēng)量的三分之一，

為了更直觀地看到定、轉(zhuǎn)子風(fēng)溝中的空氣走向，圖4給出了方案一從遠(yuǎn)離整流盤側(cè)的轉(zhuǎn)子風(fēng)溝口開始釋放的跡線圖，

圖4表明，轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)溝中空氣走向與前述一致；在整流盤和靠近整流盤側(cè)的轉(zhuǎn)子端部線棒旋轉(zhuǎn)的影響下，靠近整流盤側(cè)定子端部處的空氣一邊旋轉(zhuǎn)，一邊在定子端部半徑較大處甩出，進(jìn)入到定子軸向風(fēng)溝中，從遠(yuǎn)離整流盤側(cè)的定子風(fēng)溝口流出后一部分直接進(jìn)入出風(fēng)筒，另一部分重新被吸人，反向進(jìn)入轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)溝中，回流到轉(zhuǎn)子端部空氣區(qū)半徑較小處，形成再循環(huán)。

方案二各部分風(fēng)量均為正值，表明冷卻空氣走向和理論預(yù)期相同，圖5給出了方案二從整流盤側(cè)的定轉(zhuǎn)子風(fēng)溝口釋放的跡線，

從圖5可以看出冷卻空氣從整流盤側(cè)的定、轉(zhuǎn)子風(fēng)溝口流進(jìn)，沿風(fēng)溝軸向流動(dòng)，再從遠(yuǎn)離整流盤側(cè)的定轉(zhuǎn)子風(fēng)溝口直接流出并進(jìn)入出風(fēng)筒，定轉(zhuǎn)子風(fēng)溝間不存在環(huán)流，此外在部分定子風(fēng)溝的人口附近出現(xiàn)渦流，

3.2壓力與速度分布及分析

為了解勵(lì)磁機(jī)內(nèi)的流場分布特點(diǎn)，圖6、7分別給出了方案一、二極角60°與一90°截面靜壓分布云圖。

由圖6可知，方案一勵(lì)磁機(jī)內(nèi)靜壓分布隨極角變化不顯著，總體上，進(jìn)風(fēng)筒及其連接方筒內(nèi)空氣壓力低于出風(fēng)筒內(nèi)空氣壓力，旋轉(zhuǎn)空氣區(qū)的壓力低于置于靜止坐標(biāo)系中的空氣壓力，最低壓力一184.4 Pa，出現(xiàn)在整流盤空氣區(qū)以及整流盤前方的進(jìn)風(fēng)筒半徑較小的區(qū)域，吸風(fēng)作用較強(qiáng)，最高壓力207，8 Pa位于整流盤側(cè)的定子端部半徑最大且靠近定子風(fēng)溝入口處，整流盤和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)其內(nèi)部空氣旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也使得進(jìn)風(fēng)筒和整流盤側(cè)定子端部中的空氣在軸向流動(dòng)的同時(shí)作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，因而旋轉(zhuǎn)空氣區(qū)、進(jìn)風(fēng)筒以及整流盤側(cè)的定子端部的空氣壓力均呈隨旋轉(zhuǎn)半徑增大而升高的規(guī)律，與理論分析一致，轉(zhuǎn)子風(fēng)溝內(nèi)的空氣壓力沿軸向變化不大，呈現(xiàn)距轉(zhuǎn)軸距離增大而壓力越高的分布規(guī)律，相對(duì)定子端部，定子風(fēng)溝和氣隙人口通風(fēng)截面較小，冷卻空氣不能及時(shí)流入，使得定子風(fēng)溝和氣隙入口附近壓力較高，其中氣隙人口壓力約為168.6Pa，因沿程阻力，氣隙內(nèi)的空氣壓力沿流動(dòng)方向逐漸降低，由于機(jī)殼的遮擋，定子風(fēng)溝人口面積較小，定子端部的空氣在進(jìn)入定子風(fēng)溝后，由于流通截面突擴(kuò)，在部分定子風(fēng)溝的入口附近出現(xiàn)渦流，渦流中心壓力為46Pa，沿流動(dòng)方向，風(fēng)溝內(nèi)渦流后方的空氣壓力以及遠(yuǎn)離整流盤側(cè)的定子端部的空氣壓力較均勻，約為85Pa，低于整流盤側(cè)的定子端部壓力，兩側(cè)定子端部空氣區(qū)的壓力差為定子風(fēng)溝和氣隙中的空氣克服流動(dòng)阻力提供動(dòng)力，各部分空氣最終從出風(fēng)筒流出，在出風(fēng)筒人口背風(fēng)側(cè)出現(xiàn)渦流，渦流中心壓力為11.5Pa，整流盤側(cè)的轉(zhuǎn)子端部空氣區(qū)同時(shí)受整流盤和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)科氏力作用，壓力較低，基本處于負(fù)壓或微正壓，低于另一側(cè)轉(zhuǎn)子端部空氣壓力，從而負(fù)壓吸入從定子風(fēng)溝中流出的空氣，形成定轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)溝間的環(huán)流。

比較圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn)，兩方案整流盤前方壓力較低，把風(fēng)吸人，后方壓力較高，把風(fēng)甩出，在流場中，整理盤前后空氣升壓機(jī)理類似風(fēng)扇，此外，定子端部空氣區(qū)和定子風(fēng)溝內(nèi)的空氣壓力分布特征兩方案基本相同，僅數(shù)值不同，由圖7可知，方案二進(jìn)風(fēng)筒處空氣壓力高于出風(fēng)筒處空氣壓力，最低壓力位于出風(fēng)筒的渦流處，最高壓力位置與方案一相同，轉(zhuǎn)子空氣區(qū)的壓力均為正壓且整流盤側(cè)的轉(zhuǎn)子端部空氣區(qū)的壓力較高，使得定子風(fēng)溝中流出的空氣不會(huì)回流到轉(zhuǎn)子風(fēng)溝中，

研究發(fā)現(xiàn)，方案一、二下的速度數(shù)值分布趨勢基本相同，僅大小不同，本文僅以方案二為例加以說明勵(lì)磁機(jī)內(nèi)的速度分布特征，圖8給出了方案二極角60°和一90°截面速度分布云圖，

從人口進(jìn)入的冷卻空氣一部分直接從整流盤和擋板間的空隙流入定轉(zhuǎn)子端部，一部分風(fēng)吸入整流盤中，隨整流盤旋轉(zhuǎn)后甩人定轉(zhuǎn)子端部，再分別流進(jìn)定轉(zhuǎn)子風(fēng)溝和氣隙中，由圖8可知，整流盤和擋板間的空氣速度較大，在22.4—25.2m/s范圍內(nèi)，整流盤空氣區(qū)速度沿半徑方向增大，在整流盤外表面達(dá)到最大，為28 m/s，整流盤側(cè)定子端部空氣受整流盤和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的影響，具有較大的周向速度，定子端部的大部分空氣從定子端部半徑較大的定子風(fēng)溝人口流進(jìn)定子風(fēng)溝，定子風(fēng)溝入口的速度較大，達(dá)到19m/s，進(jìn)入轉(zhuǎn)子端部的空氣隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，速度隨旋轉(zhuǎn)半徑的增大而增大，在2.8～22.4m/s之間，由于流通截面不變，進(jìn)入定、轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)溝和氣隙內(nèi)的空氣流速沿軸向分布較均勻，其中定、轉(zhuǎn)子子風(fēng)溝及氣隙的平均風(fēng)速分別約為7.5m/s，11m/s和8.7m/s。

定子內(nèi)壁面與轉(zhuǎn)子外壁面間的空氣薄層即為氣隙，定、轉(zhuǎn)子鐵心和直段線棒的一部分熱量沿徑向通過熱傳導(dǎo)傳遞到氣隙中定轉(zhuǎn)子表面，然后由氣隙中的空氣通過對(duì)流換熱方式將熱量帶走，對(duì)流換熱效果與流體流速有密切關(guān)系，因此了解氣隙內(nèi)的速度分布情況十分重要，本文研究的勵(lì)磁機(jī)定轉(zhuǎn)子均采用槽口通風(fēng)，為了解此結(jié)構(gòu)下的氣隙的流速分布，圖9給出了氣隙軸向?qū)ΨQ面處的速度分布云圖，

進(jìn)入氣隙的冷卻空氣軸向流動(dòng)的同時(shí)，一方面受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)剪切作用，另一方面受定子鐵心內(nèi)表面的阻滯作用，從圖9可以看出，在很薄的邊界層內(nèi)氣隙靠近轉(zhuǎn)子外壁面附近的空氣速度變化梯度較大，定子鐵心內(nèi)壁面附近空氣變化梯度較小，轉(zhuǎn)子外壁面附近空氣速度較大，速度可達(dá)到28 m/s，定子鐵心內(nèi)壁面附近空氣速度較小，氣隙內(nèi)的大部分空氣速度在8.4～9.8m/s范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子槽口內(nèi)空氣流速為9.3m/s，與轉(zhuǎn)子槽口相對(duì)的定子槽口內(nèi)空氣速度較大，為10.6m/s。

3.3準(zhǔn)確性分析

近年來越來越多的國內(nèi)外學(xué)者采用數(shù)值方法對(duì)電機(jī)內(nèi)的熱流場進(jìn)行模擬研究，關(guān)于數(shù)值模擬準(zhǔn)確性驗(yàn)證國內(nèi)外均有報(bào)道，由于非線性偏微分方程求解困難，難以獲得電機(jī)內(nèi)熱流場在給定邊界條件下的控制方程組的解析解；本文研究的勵(lì)磁機(jī)風(fēng)路尚在探索階段，暫時(shí)無法獲得其流場實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與其他數(shù)值方法的模擬結(jié)果比較來間接驗(yàn)證結(jié)果的合理性較為可行廠商委托某電機(jī)研究所采用等效風(fēng)路法得到的方案二下的人口體積流量為0，209 9m3/s，與本文采用有限體積法得到的人口體積流量0，210 3 m3/s間的誤差為0，04%，在工程允許范圍內(nèi)，從而驗(yàn)證了結(jié)果的合理性。

4.結(jié)論

本文通過對(duì)某軸向通風(fēng)無刷勵(lì)磁機(jī)人出口有無壓差的兩個(gè)方案下的三維流場進(jìn)行數(shù)值模擬及分析，得到3方面結(jié)論如下：

1）勵(lì)磁機(jī)入出口有無壓差時(shí)，冷卻空氣的流動(dòng)跡線特征不同，人出口無壓差時(shí)，定、轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)溝間出現(xiàn)環(huán)流；入出口壓差為742Pa時(shí)，定、轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)溝中的空氣從風(fēng)溝中直接流出并進(jìn)入出風(fēng)筒，

2）在流場中，兩方案整流盤前方壓力較低，把風(fēng)吸入，后方壓力較高，把風(fēng)甩出；方案一整流盤側(cè)轉(zhuǎn)子端部空氣壓力較高，另一側(cè)轉(zhuǎn)子端部空氣壓力較低，方案二與方案一相反。

3）方案二中定、轉(zhuǎn)子軸向風(fēng)溝和氣隙內(nèi)的空氣流速沿軸向分布較均勻，定、轉(zhuǎn)子風(fēng)溝平均風(fēng)速分別約為7.5m/s和11m/s；氣隙內(nèi)的大部分空氣速度在8.4-9，8m/s范圍內(nèi)，與轉(zhuǎn)子槽口相對(duì)的定子槽口中的空氣速度較大。