多旋轉(zhuǎn)部件無刷勵(lì)磁機(jī)改進(jìn)方案三維流場研究

路義萍+戴景祿+張東學(xué)+王佐民

摘 要：為了研究無刷勵(lì)磁機(jī)在整流盤與轉(zhuǎn)子間增加機(jī)座環(huán)板結(jié)構(gòu)對(duì)流場渦流尺寸的影響，建立了無刷勵(lì)磁機(jī)的整機(jī)流場的物理模型，基于流體動(dòng)力學(xué)原理（CFD），采用有限體積法，在計(jì)算域內(nèi)對(duì)三維湍流流場進(jìn)行了數(shù)值求解，得到了額定轉(zhuǎn)速時(shí)，增加機(jī)座環(huán)板后，無刷勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部各部分流場分布特點(diǎn)。結(jié)果表明，整流盤與轉(zhuǎn)子間增加機(jī)座環(huán)板結(jié)構(gòu)，有效減少了檢修空間處的大渦流尺度范圍。與現(xiàn)運(yùn)行方案的計(jì)算結(jié)果相比，該方案的入口體積流量增加了13.89%，結(jié)果準(zhǔn)確。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：機(jī)座環(huán)板；流場；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；數(shù)值模擬；無刷勵(lì)磁機(jī)

DOI：10.15938/j.jhust.2017.03.014

中圖分類號(hào)： TM311

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 1007-2683（2017）03-0080-05

Abstract：To study deeply the influence of the frame ring plate increased between rectifier wheel and rotor on the size of eddy current of fluid field of brushless exciter， the fluid field of complete brushless exciter model is established. Based on the computational fluid dynamics （CFD） principles ，the finite volume method is adopted to simulate and analyze the three dimensional turbulent flow field in the computational domain. The distribution character of the fluid field for the brushless exciter is obtained under rated speed，after increasing the frame ring plate between rectifier wheel and rotor. The results show increased the frame ring plate between rectifier wheel and rotor can decrease effectively the size of eddy current in the air region between rectifier wheel and rotor. Compared with the result of running scheme， the air volume flow rate of the scheme has increased 13.89% and the result is accuracy. It provides theoretical basis for further optimizing the air ducts structure of the brushless exciter .

Keywords：frame ring plate； flow field； CFD； numerical simulation； brushless exciter

0 引 言

無刷勵(lì)磁系統(tǒng)包括無刷勵(lì)磁機(jī)和旋轉(zhuǎn)整流裝置兩部分組成，無刷勵(lì)磁機(jī)電樞中產(chǎn)生交流電流，通過與轉(zhuǎn)軸連接的導(dǎo)體流入整流裝置，進(jìn)行交流變直流的轉(zhuǎn)換。無刷勵(lì)磁機(jī)與主軸同軸相連，是同步電動(dòng)機(jī)的重要組成部分，直接影響電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行效率。在勵(lì)磁機(jī)的運(yùn)行過程中，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)由于局部溫度過高而造成的損壞，這涉及到勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)冷卻的問題，因此，對(duì)無刷勵(lì)磁機(jī)的通風(fēng)冷卻系統(tǒng)的研究顯得尤為重要。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)勵(lì)磁機(jī)進(jìn)行了廣泛的研究。文[1]研究了核電發(fā)電機(jī)配套機(jī)組的5800kW無刷勵(lì)磁機(jī)的絕緣材料和絕緣結(jié)構(gòu)，文[2]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[3]提出一種適用于無刷勵(lì)磁同步電機(jī)的無位置傳感器起動(dòng)控制技術(shù)，文[4]給出了用非破壞性方法來檢測無刷勵(lì)磁機(jī)的雙側(cè)整流盤故障，文[5]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[6]。文[7]介紹了磁極線圈過熱燒損問題并提出相應(yīng)改進(jìn)方案。文[8]給出了無刷勵(lì)磁機(jī)旋轉(zhuǎn)部位的故障分析及處理辦法。文[9]描述了在二極管運(yùn)行故障時(shí)建立多相凸極同步電動(dòng)機(jī)配套用的無刷勵(lì)磁機(jī)模型的一種原始數(shù)學(xué)方法。文[10]基于半機(jī)模型分析了一種優(yōu)化設(shè)計(jì)，新型無刷勵(lì)磁機(jī)的三維熱流場，需設(shè)置周期等邊界條件。針對(duì)各類發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的流場研究方法為大家所熟知，例如有限體積法[11，13]、有限元法[1419]等，且采用以上兩種方法的較為常見。文獻(xiàn)[20]綜合分析了熱網(wǎng)絡(luò)法、有限元法、有限體積法在電機(jī)溫度場計(jì)算時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，但在國內(nèi)外用實(shí)驗(yàn)方法來解決這類問題的文獻(xiàn)較為少見。

針對(duì)現(xiàn)運(yùn)行的勵(lì)磁機(jī)通風(fēng)方案（方案A）存在的憋風(fēng)缺點(diǎn)，整流盤空氣區(qū)溫度高[10]，進(jìn)行了局部風(fēng)路改進(jìn)，在右整流輪靠近轉(zhuǎn)子側(cè)增加一個(gè)環(huán)向機(jī)座環(huán)板（改進(jìn)方案B），試圖減小機(jī)座內(nèi)三個(gè)旋轉(zhuǎn)部件之間的渦流區(qū)。該類問題特點(diǎn)是：同軸上三個(gè)旋轉(zhuǎn)部件，定轉(zhuǎn)子間氣隙高度較小，僅3mm，定轉(zhuǎn)子部分空氣動(dòng)力場還受到兩旋轉(zhuǎn)整流盤的旋轉(zhuǎn)吸風(fēng)作用影響，具有研究價(jià)值。故對(duì)其流場應(yīng)用有限體積法進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與現(xiàn)運(yùn)行方案進(jìn)行比較，分析并檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性。

1 物理模型

無刷勵(lì)磁機(jī)是向同步電動(dòng)機(jī)提供勵(lì)磁電流建立磁場的旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，雙側(cè)整流盤與轉(zhuǎn)子三個(gè)旋轉(zhuǎn)部件通過轉(zhuǎn)軸連接。無刷勵(lì)磁機(jī)整機(jī)流場模型不便于觀看內(nèi)部詳細(xì)結(jié)構(gòu)，而為了更清楚的顯示內(nèi)部結(jié)構(gòu)，圖1給出的是計(jì)算區(qū)域內(nèi)的勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)圖。物理模型由以下幾部分組成：圖1中空的部分為固體部分：在1與5之間為機(jī)座、3對(duì)應(yīng)固體為轉(zhuǎn)軸、4對(duì)應(yīng)固體為轉(zhuǎn)子、2對(duì)應(yīng)固體為雙側(cè)整流盤、新增機(jī)座環(huán)板6和原有機(jī)座環(huán)板7。定轉(zhuǎn)子沿軸向共分布6個(gè)風(fēng)溝，風(fēng)溝的寬度為10mm，靠近旋轉(zhuǎn)雙側(cè)整流盤側(cè)風(fēng)溝序號(hào)為1，其它2～6號(hào)風(fēng)溝位置見圖。

在建模過程中考慮以下幾點(diǎn)：1）用solidworks建立了固體模型，再導(dǎo)入Gambit中進(jìn)行布爾運(yùn)算，得到所需流體部分，即建立了整機(jī)流場的模型。2）為了符合計(jì)算數(shù)學(xué)模型要求，將無刷勵(lì)磁機(jī)的流體區(qū)域分成了旋轉(zhuǎn)流體區(qū)與靜止流體區(qū)兩部分。靜止流體區(qū)位于定子機(jī)座與機(jī)殼之間的區(qū)域，不隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)流體區(qū)位于轉(zhuǎn)子內(nèi)、雙側(cè)整流盤固體區(qū)域四周的空氣，隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 數(shù)學(xué)模型及求解條件

2.1 基本假設(shè)

1）在該勵(lì)磁機(jī)中，馬赫數(shù)小于0.7，冷卻空氣可以當(dāng)成不可壓縮流體。

2） 空氣受到重力的作用遠(yuǎn)小于科氏力的作用，忽略重力的影響。僅研究勵(lì)磁機(jī)內(nèi)流體流動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)。

3） 空氣在勵(lì)磁機(jī)入口處的Re≥2320，流動(dòng)處于湍流狀態(tài)，采用湍流模型求解。

2.2 數(shù)學(xué)模型

由于無刷勵(lì)磁機(jī)的轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子高速旋轉(zhuǎn)，故采用多重參考系進(jìn)行計(jì)算。在流場求解過程中采用質(zhì)量、動(dòng)量守恒方程和標(biāo)準(zhǔn)kε兩方程湍流模型，其通用控制方程如下：

div（ρuφ）=div（Γφgradφ）+Sφ（1）

式中：r表示密度；φ為通用變量（如速度、溫度、濃度等）；Γφ、Sφ為分別為廣義擴(kuò)散系數(shù)和廣義源項(xiàng)。反映湍流特性的控制方程采用標(biāo)準(zhǔn)kε兩方程模型[21]。

2.3 求解條件

確定了計(jì)算域后，計(jì)算所要設(shè)定的邊界條件類型也隨之確定。尤其是對(duì)于整機(jī)物理模型來說，邊界條件較為簡單。邊界條件如下：在額定工況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為4800r/min， 計(jì)算域中入、出口風(fēng)筒均接至主機(jī)風(fēng)扇前端，故其表壓力均為0Pa。物理模型外周界機(jī)殼為壁面邊界。其它不需設(shè)置。

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)計(jì)算網(wǎng)格獨(dú)立解。

3 流場數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 結(jié)果準(zhǔn)確性分析

無刷勵(lì)磁機(jī)內(nèi)部空氣動(dòng)力場很復(fù)雜，目前不能獲得解析解。由于目前研究的改進(jìn)方案B與方案A（文[10]）相比，僅對(duì)稱增加了結(jié)構(gòu)的另外一半，流體網(wǎng)格數(shù)量增加一倍，網(wǎng)格質(zhì)量一樣，因此，數(shù)值模擬結(jié)果整機(jī)冷卻空氣體積流量的準(zhǔn)確性與文獻(xiàn)[10]基本相同，本改進(jìn)方案B計(jì)算得到的流量0.385m3/s，比文[10]的實(shí)驗(yàn)計(jì)算的流量增加16.12%，主要是因?yàn)榉桨父淖円鸬模Y(jié)果準(zhǔn)確。

3.2 壓力分布計(jì)算結(jié)果及分析

本研究中，以勵(lì)磁機(jī)轉(zhuǎn)軸軸心定義極角原點(diǎn)，極角范圍180°～-180°，圖1所示為0°～180°截面，而另一半的的極角范圍則為-180°～0°。研究發(fā)現(xiàn)，沿圓周方向不同極角截面的壓力、速度分布云圖特征基本相同，圖2和3給出了方案B和A的代表性極角30°和150°位置截面的壓力分布云圖。根據(jù)冷卻空氣在勵(lì)磁機(jī)內(nèi)的流動(dòng)的先后順序來描述各處壓力，由圖可知，兩方案的機(jī)座與風(fēng)筒相接的空氣入口處壓力都為負(fù)壓，改進(jìn)方案B的負(fù)壓稍低，數(shù)值為-346～-61Pa，轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)形成的科氏力使得轉(zhuǎn)軸上方轉(zhuǎn)子槽空氣區(qū)旋轉(zhuǎn)半徑較小處的壓力為整個(gè)計(jì)算域最低值-4140～-3588Pa，冷空氣經(jīng)風(fēng)筒入口吸入該處并繼續(xù)冷卻轉(zhuǎn)子；現(xiàn)運(yùn)行方案A在此處壓力值也較低，與方案B基本相同；兩方案沿半徑增大方向，風(fēng)溝中壓力值均逐漸升高；由于定轉(zhuǎn)子鐵心風(fēng)溝中間都通過厚度僅為3mm的尺度非常小的環(huán)形氣隙空間連接，流阻大，氣隙屬于動(dòng)靜交界位置，流體湍流流動(dòng)狀態(tài)復(fù)雜，流動(dòng)不暢導(dǎo)致氣隙的壓力升高為正，氣隙中方案A的壓力基本為方案B的2倍；方案B多加了一個(gè)機(jī)座環(huán)板，使雙側(cè)整流盤與轉(zhuǎn)子間空氣區(qū)分割成兩部分，左側(cè)極角30°截面雙側(cè)整流盤上方和機(jī)座之間的空氣區(qū)為正壓區(qū)，方案B在此達(dá)到最大正壓，而方案A在整流盤二極管與絕緣板間空氣間隙處達(dá)到最大，數(shù)值為3106Pa；檢修空間中，方案A在此處達(dá)到最低值-6543Pa，負(fù)壓吸引作用很強(qiáng)，方案B在此處仍然為負(fù)壓區(qū)，但壓力值升高很多，數(shù)值為-550～-274Pa；氣隙處壓力較高，與定子風(fēng)溝間形成壓差，為熱空氣經(jīng)出口流出提供動(dòng)力。兩方案的機(jī)座外空氣區(qū)的壓力多為負(fù)壓，數(shù)值見圖2、3。由此可知，增加機(jī)座環(huán)板后壓力分布特點(diǎn)改變明顯。

為了了解改進(jìn)方案B整機(jī)軸向不同位置處沿圓周方向截面的壓力分布特征，圖4～6分別給出了機(jī)座內(nèi)r=0～393mm范圍，風(fēng)溝3（z3=571mm，）、風(fēng)溝1（z1=671mm）中間、雙側(cè)整流盤空氣區(qū)處（z=1250mm）（見圖1）作為典型截面位置的壓力分布云圖。

由圖4可以看出環(huán)向360°的壓力分布特征，從軸心原點(diǎn)出發(fā)，由半徑從小到大的方向，風(fēng)溝3的最低壓力出現(xiàn)在靠近軸支架的轉(zhuǎn)子風(fēng)溝處，值為-3928Pa，而轉(zhuǎn)子風(fēng)溝半徑較大處的壓力亦較低為負(fù)壓區(qū)。半徑更大的定子風(fēng)溝及定子背部空氣區(qū)的壓力范圍一致。比較圖4和圖5可知，從周向極角180°～-180°上整體分析，風(fēng)溝3和1壓力分布規(guī)律基本相同，呈左右對(duì)稱分布；且風(fēng)溝3和1的6個(gè)轉(zhuǎn)子槽空氣區(qū)的壓力每60°呈周期性分布，符合理論預(yù)期；風(fēng)溝中每個(gè)軸空氣槽上對(duì)應(yīng)7個(gè)轉(zhuǎn)子鐵心風(fēng)溝壓力高于相鄰處。風(fēng)溝3截面氣隙處的壓力明顯高于風(fēng)溝1。

由圖6可知，雙側(cè)整流盤截面的最低壓力出現(xiàn)在半徑較小處，即緊挨軸的空氣區(qū)處，數(shù)值為-2388Pa，整流盤下部空氣區(qū)的壓力較低，而最高壓力出現(xiàn)在緊挨雙側(cè)整流盤的二極管的空氣區(qū)處，值為3076Pa，機(jī)座到整流盤之間的空氣區(qū)全為正壓，總體上，沿半徑變大方向壓力逐漸增高。另外，整流盤空氣區(qū)的緊鄰6個(gè)二極管的空氣區(qū)壓力呈周期性分布。

3.3 速度分布計(jì)算結(jié)果及分析

為了分析增加機(jī)座環(huán)板后速度場分布特征，圖7和8給出了方案B和A的兩個(gè)特征極角10 截面速度矢量圖。由圖可知：兩方案的速度最高處都出現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)半徑較大的雙側(cè)整流盤二極管與絕緣板間的空隙空氣區(qū)處，最高值分別為135、132m/s，雙側(cè)整流盤轉(zhuǎn)軸至二極管處的空氣區(qū)的速度范圍基本一致；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)，速度也較高，符合理論預(yù)期。在固定坐標(biāo)系中，方案A和B的機(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7m/s；兩方案整流盤上方空氣速度差異明顯，改進(jìn)方案B由于機(jī)座環(huán)板的阻擋，在此處速度較高，速度范圍為34～41m/s，而方案A的速度范圍較低，為13～26m/s。

還可以從圖8中看出，在方案A中出現(xiàn)了一個(gè)范圍較大的漩渦，渦直徑范圍從整流盤外緣一直到靠近定子位置機(jī)座環(huán)板，方案B則形成兩個(gè)較小漩渦，位置在較靠近整流盤的兩機(jī)座環(huán)板之間，此外，方案B在此處的速度明顯比方案A在此位置的低了很多，使得渦摩擦生熱損耗減少，有利于空氣的流動(dòng)和各部件的冷卻。綜上所述，在雙側(cè)整流盤右邊加機(jī)座環(huán)板有助于減小漩渦區(qū)，速度分布特點(diǎn)有所不同。另外，漩渦減小，有利于空氣流動(dòng)，造成方案B的流量比方案A的流量要大。

4 結(jié) 論

針對(duì)無刷勵(lì)磁機(jī)，在相應(yīng)計(jì)算條件下，對(duì)整機(jī)模型，對(duì)同軸上布置雙側(cè)整流盤和轉(zhuǎn)子三個(gè)旋轉(zhuǎn)部件且定子上方布置兩風(fēng)筒的改進(jìn)方案的無刷勵(lì)磁機(jī)三維湍流流場進(jìn)行了CFD數(shù)值模擬，得出如下結(jié)論：

整流盤與轉(zhuǎn)子之間增加機(jī)座環(huán)板，使整流盤與轉(zhuǎn)子間空氣區(qū)分割成兩部分，整流盤上方成為壓力最高區(qū)域，機(jī)座內(nèi)兩個(gè)相鄰旋轉(zhuǎn)部件之間的正負(fù)壓差減小，使得壓力分布特點(diǎn)明顯改變，從周向極角180°～-180°上看，風(fēng)溝的壓力呈左右對(duì)稱分布；同時(shí)，有效減少了檢修空間處的大渦流區(qū)，有利于空氣的流動(dòng)和各部件的冷卻。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：王 萍）