籠障轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張鳳閣 蔣曉東 李應(yīng)光

摘 要：為了降低籠障轉(zhuǎn)子無(wú)刷雙饋電機(jī)的溫升，進(jìn)一步提高其功率密度，提出采用水冷方式替代風(fēng)扇冷卻對(duì)該種新型電機(jī)進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)。建立水冷系統(tǒng)解析計(jì)算模型，分別設(shè)計(jì)了軸向和螺旋兩種水路結(jié)構(gòu)，計(jì)算兩種水路結(jié)構(gòu)機(jī)殼表面溫度，并對(duì)兩種水路結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析。選取無(wú)刷雙饋電機(jī)周向1/6區(qū)域作為研究對(duì)象，建立三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)物理模型，通過(guò)采用有限元方法計(jì)算了電機(jī)各部分的溫升分布，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析。最后將有限元計(jì)算結(jié)果與解析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了螺旋水路冷卻方案設(shè)計(jì)的有效性，為后續(xù)水冷樣機(jī)的研制和進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)研究提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：籠障轉(zhuǎn)子；無(wú)刷雙饋電機(jī)；解析模型；冷卻系統(tǒng)；螺旋水路

中圖分類號(hào)：TM 352

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）06-0070-07

Abstract：For reducing the temperature rise of brushless doublyfed machine with cagebarrier rotor and improving the power density further， water cooling mode is put forward instead of fan cooling to design the cooling system. The analytical calculation model of water cooling system was established. The structures of axial and spiral water road were designed respectively. The temperature of casing surface was calculated. The advantages and disadvantages of two kinds of water road structure were compared and analyzed. Circumferential 1/6 structure of BDFM with cagebarrier rotor was taken as research object and 3D temperature field physical model was established. The temperature rise distribution of each parts of electrical machine were calculated by using finite element method and the results were analyzed in detail. Finally the numerical calculation results were compared with analytical calculation results and the effectiveness of cooling design scheme of spiral water road was verified. It provides theoretical basis for the development and further experimental research of subsequent watercooled prototype machine.

Keywords：brushless doublyfed machine； cagebarrier rotor； analytical model； cooling system； spiral water road

0 引 言

無(wú)刷雙饋電機(jī)（brushless doublyfed machine，BDFM）是一種新型結(jié)構(gòu)的電機(jī)，其結(jié)構(gòu)取消了電刷和滑環(huán)，降低了電機(jī)維護(hù)成本，增強(qiáng)了電機(jī)運(yùn)行時(shí)的可靠性和安全性，在變速恒頻恒壓發(fā)電和大容量變頻調(diào)速系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景[1-3]。

BDFM定子上嵌有極數(shù)不同的兩套繞組，分別為控制繞組和功率繞組，運(yùn)行時(shí)功率繞組與電網(wǎng)直接相連，控制繞組通過(guò)變頻器與電網(wǎng)相連。BDFM兩套繞組通過(guò)特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁場(chǎng)調(diào)制作用進(jìn)行耦合，轉(zhuǎn)子起著“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”的作用，轉(zhuǎn)子性能的好壞直接決定著電機(jī)的功率密度和效率。

然而該種電機(jī)諧波磁場(chǎng)較為豐富，損耗較大，溫升問(wèn)題尤為突出，直接影響到電機(jī)運(yùn)行時(shí)的性能指標(biāo)，并且限制了電機(jī)功率密度的進(jìn)一步提高，因此有必要對(duì)該種電機(jī)的溫度場(chǎng)和冷卻方式進(jìn)行研究。

目前國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行了大量的研究工作[4-7]。文獻(xiàn)[8]基于流體力學(xué)理論研究了水冷電機(jī)冷卻水流速與電機(jī)內(nèi)部溫度的關(guān)系。丁樹(shù)業(yè)[9]等以一臺(tái)2.5 MW永磁風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，通過(guò)改變電機(jī)徑向通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)尺寸，提出4種優(yōu)化方案，比較不同方案冷卻性能，給出了最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。浙江大學(xué)何偉超[10]等針對(duì)高功率密度電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)電機(jī)存在溫升較高的問(wèn)題，提出一種高效率并聯(lián)V型水冷結(jié)構(gòu)，并分析了該種電機(jī)的溫升分布情況。文獻(xiàn)[11]研究了軸徑混合結(jié)構(gòu)雙饋異步發(fā)電機(jī)的通風(fēng)散熱問(wèn)題，分析了轉(zhuǎn)速和徑向風(fēng)道結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)流量分布的影響規(guī)律。哈爾濱工業(yè)大學(xué)梁培鑫[12]等對(duì)軸向“Z”字型和螺旋水路進(jìn)行了對(duì)比研究，給出了水冷電機(jī)水路的選擇原則。文獻(xiàn)[13]針對(duì)高能量密度電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重問(wèn)題，提出定子機(jī)殼內(nèi)“S”型水槽的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)。文獻(xiàn)[14]以一臺(tái)1.5 MW風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，進(jìn)行了冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，考察了風(fēng)速﹑翅片等參數(shù)的相互影響。綜上所述，目前針對(duì)籠障轉(zhuǎn)子BDFM冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究相對(duì)較少。

本文以籠障轉(zhuǎn)子BDFM為研究對(duì)象，采用解析方法分別設(shè)計(jì)了軸向和螺旋兩種水路冷卻結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析了兩種水路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，建立了螺旋水路冷卻方式電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算模型，采用有限元方法計(jì)算電機(jī)各部分溫升分布。最后通過(guò)比較解析和有限元兩種方法計(jì)算得到的水冷電機(jī)溫升，驗(yàn)證了籠障轉(zhuǎn)子BDFM冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的有效性，為后續(xù)水冷樣機(jī)的研制提供了理論基礎(chǔ)。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

籠障轉(zhuǎn)子BDFM采用一種由磁障式疊片和籠型繞組組成的復(fù)合式籠障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖1所示，樣機(jī)參數(shù)見(jiàn)表1所示。

2 水冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

目前針對(duì)電機(jī)應(yīng)用范圍最廣的冷卻技術(shù)是機(jī)殼外表面水冷技術(shù)。即在機(jī)殼外表面開(kāi)水道，在上面套一外殼，將水道密封起來(lái)，分別打通進(jìn)水口和出水口，冷卻水就可以在機(jī)殼外表面和外殼內(nèi)表面之間流動(dòng)，帶走電機(jī)熱量，起到冷卻效果。

對(duì)于水冷系統(tǒng)，按水流的流動(dòng)方式分為軸向水冷方式和周向水冷方式兩種，其中螺旋結(jié)構(gòu)是周向水冷方式應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)，兩種冷卻結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

分別采用軸向和螺旋兩種水路結(jié)構(gòu)對(duì)籠障轉(zhuǎn)子BDFM進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 軸向水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)，定子機(jī)殼外徑D1=430 mm，內(nèi)徑Dil=400 mm，擬設(shè)計(jì)水槽段長(zhǎng)度H=290 mm。

設(shè)計(jì)要求：進(jìn)水口溫度tin≤30 ℃，出水口溫度tout≤35 ℃，機(jī)殼溫度≤40 ℃，進(jìn)出水口在同一端。

2.1.1 水路參數(shù)確定

根據(jù)電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的結(jié)果，損耗分布如表2所示。

設(shè)水道個(gè)數(shù)為n，其截面形狀近似矩形。設(shè)截面平均長(zhǎng)為a，高為b，隔板寬度為c，則有ab=450 mm2，n（a+c）=π（400+430）/2 mm，b<（430-400）/2=15 mm。

由于電機(jī)進(jìn)出水口在同一側(cè)，n選擇偶數(shù)。初步確定b=5 mm，a=90 mm，n=12，c=18 mm，由于水道數(shù)目是12，所以每個(gè)隔板中心線夾角為30 ℃。其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸如圖3所示。

2.1.2 冷卻水帶走熱量計(jì)算

1）水路相關(guān)數(shù)據(jù)。

根據(jù)流體受迫流動(dòng)準(zhǔn)則得到流體雷諾數(shù)為

水流及水槽相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)式（3）～式（5）得到散熱系數(shù)α=3 737.5 W/（m2·K）由式（7）得到T=34.22 ℃<40 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。

3）冷卻水帶走熱量計(jì)算。

由公式

2.2 螺旋水路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1 水路參數(shù)確定

螺旋水路冷卻結(jié)構(gòu)水道截面尺寸的確定方法與軸向水路設(shè)計(jì)方法相同，預(yù)設(shè)水道設(shè)計(jì)段H為240 mm，h1為8 mm。水道嵌入機(jī)殼后，其截面形狀為矩形，假設(shè)水道的圈數(shù)為n，水道寬為a，高為b，隔板的寬度為c，如圖4所示。

通過(guò)比較試設(shè)a值，算出b和c值，最后確定a=50 mm，b=9 mm，c=6 mm，n=4。

2.2.2 冷卻水帶走熱量計(jì)算

經(jīng)過(guò)計(jì)算，水流及水槽相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。

由公式（3）～式（5）得到散熱系數(shù)α=5 471.8 W/（m2·K）根據(jù)公式（7）得出電機(jī)機(jī)殼溫度33.92 ℃，其值小于40 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求。冷卻水帶走熱量6 090 W，滿足散熱要求。

2.3 水路結(jié)構(gòu)比較

對(duì)比上述兩種水路結(jié)構(gòu)的散熱情況可知，螺旋水路的散熱系數(shù)要大于軸向水路?？紤]到水泵的輸出功率，選擇哪種水路結(jié)構(gòu)主要依據(jù)進(jìn)出口水壓差的大小，其與水路阻力密切相關(guān)，因此只要計(jì)算出兩種結(jié)構(gòu)的水路阻力就能比較進(jìn)出口的水壓差。

水路阻力分為沿程阻力和局部阻力，沿程阻力是與流體流過(guò)的路程﹑流速及水路截面尺寸有關(guān)的物理量，計(jì)算公式如下表示：

根據(jù)上述水道阻力的計(jì)算公式，分別得到兩種水路阻力的計(jì)算結(jié)果，見(jiàn)表5所示。

由表5可知，軸向水路沿程阻力占總阻力的34%，螺旋水路沿程阻力占總阻力的82%。軸向水路和螺旋水路的沿程阻力相差不大，近似相同，這是因?yàn)楦鶕?jù)式（9）推導(dǎo)得到

其中k1—比例系數(shù)，與密度、比熱容、水路直徑、總損耗和軸向長(zhǎng)度有關(guān)。

從上式中可知影響沿程阻力大小的主要因素是（ab）3項(xiàng)，即水道的橫截面積。由于所設(shè)計(jì)的軸向水路與螺旋水路橫截面積相同，因此沿程阻力近似相等。同時(shí)發(fā)現(xiàn)軸向水路局部阻力大于螺旋水路，因此軸向水路需要水泵提供的輸出功率更大。所以，選擇螺旋水路作為BDFM水冷結(jié)構(gòu)要比采用軸向水路有利。

3 電機(jī)三維溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算

3.1 物理模型

根據(jù)籠障轉(zhuǎn)子BDFM的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選取電機(jī)1/6圓周，整個(gè)軸向定轉(zhuǎn)子鐵心、功率繞組、控制繞組、短路和公共籠條及轉(zhuǎn)軸為研究對(duì)象，建立三維溫度場(chǎng)物理模型，如圖5所示，各部分材料導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)表6所示。

3.2 溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

籠障轉(zhuǎn)子BDFM繞組溫度分布如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，功率繞組最高溫度為95.643 ℃，最低溫度為69.232 ℃；控制繞組最高溫度是95.336 ℃，最低溫度是67.723 ℃。兩套繞組最高溫度均位于端部區(qū)域，表明端部繞組散熱能力較弱。

定轉(zhuǎn)子溫度如圖8和圖9所示。

由圖8可知，定子齒部溫度最高，達(dá)到了84.493 ℃，軛部溫度最低為40.698 ℃，并且隨著徑向高度的增加溫度逐漸降低。由圖9可知，轉(zhuǎn)子溫度最高集中在公共籠條和短路籠條端部，達(dá)到了83.776 ℃。轉(zhuǎn)子磁障表面端部溫度較高，達(dá)到了82.376 ℃，中間溫度相對(duì)較低，最低為71.261 ℃。這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子兩端靠近籠條端部區(qū)域，溫升較高；相鄰導(dǎo)磁層之間設(shè)有通風(fēng)溝，溝內(nèi)風(fēng)速較大，以至于轉(zhuǎn)子表面散熱系數(shù)較大，溫度與轉(zhuǎn)子端部相比較低。

機(jī)殼溫度分布如圖10所示。

由圖10可知，端蓋最高溫度為52.167 ℃，位于轉(zhuǎn)軸與端蓋接觸處，并且沿徑向高度溫度逐漸降低。螺旋水道內(nèi)部溫度在40 ℃左右，機(jī)殼表面其他部位溫度較低，在34.051 ℃～38.077 ℃之間。通過(guò)與解析計(jì)算結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩種方法計(jì)算得到的機(jī)殼表面溫度基本接近，驗(yàn)證了所選取的螺旋水道設(shè)計(jì)的正確性。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)對(duì)籠障轉(zhuǎn)子BDFM冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析，得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)解析計(jì)算發(fā)現(xiàn)軸向水路局部阻力明顯大于沿程阻力，考慮到水泵的功率輸出，因此選擇螺旋水路作為籠障轉(zhuǎn)子BDFM的冷卻結(jié)構(gòu)。

2）軸向水路和螺旋水路的沿程阻力相差不大，主要與水路橫截面積有關(guān)。在水路直徑和軸向長(zhǎng)度相同的條件下，水路橫截面積越大，局部阻力越小。

3）通過(guò)有限元計(jì)算可知，采用螺旋水道冷卻方式電機(jī)機(jī)殼表面溫度小于40 ℃，滿足設(shè)計(jì)要求，并與解析方法計(jì)算得出的機(jī)殼表面溫度一致，驗(yàn)證了籠障轉(zhuǎn)子BDFM螺旋水路冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的正確性和有效性，為后續(xù)水冷樣機(jī)的研制提供理論依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)：

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（編輯：賈志超）