地鐵用電機(jī)傳熱特性數(shù)值模擬與實驗研究

梁雪琪,羅慧強(qiáng),吳一寧,曾敏

(1.西安交通大學(xué)熱流科學(xué)與工程教育部重點實驗室,710049,西安;2.中車永濟(jì)電機(jī)有限公司,044000,山西永濟(jì))

電機(jī)在日常生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。隨著科技進(jìn)步,很多場合需要更大功率、更緊湊的電機(jī)[1],由此導(dǎo)致的電機(jī)發(fā)熱問題更加嚴(yán)重。電機(jī)內(nèi)部過熱會導(dǎo)致絕緣材料受損,進(jìn)而形成短路,甚至將電機(jī)燒毀,使設(shè)備的運行具有安全隱患,同時也影響電機(jī)的使用壽命;此外,超溫還會使電機(jī)內(nèi)部磁性材料磁性減弱,甚至退磁[2]。因此,對電機(jī)的溫度場進(jìn)行探究十分必要。

電機(jī)內(nèi)部的轉(zhuǎn)子部分包含很多旋轉(zhuǎn)部件,不易通過實驗實時測量出其溫度分布。另外,電機(jī)中很多實心部件的內(nèi)部溫度也不易測量,實施起來十分復(fù)雜。

目前,國內(nèi)外專家學(xué)者主要針對發(fā)電機(jī)內(nèi)某一部分,例如定子或轉(zhuǎn)子等局部流場和溫度場進(jìn)行研究分析,忽略了換熱的整體連續(xù)性;也有少部分學(xué)者對電機(jī)整體進(jìn)行傳熱特性分析,但近似認(rèn)為電機(jī)為軸向和周向?qū)ΨQ,采用軸向1/2,周向1/6或1/12的對稱模型進(jìn)行數(shù)值模擬[3-8],忽略了電機(jī)中定子線圈三維彎扭、風(fēng)扇葉片不對稱分布的特點,以及其他不對稱部件對流場的影響。本文采用電機(jī)全域模型進(jìn)行數(shù)值計算,研究電機(jī)內(nèi)部溫度分布,并對電機(jī)進(jìn)行了實驗測溫,還對仿真結(jié)果進(jìn)行了校核。

1 模型建立

1.1 基本假設(shè)

為了便于計算,本文對電機(jī)模型做出如下簡化:①假設(shè)電機(jī)的損耗在同一部件上均勻分布;②忽略電機(jī)上的螺釘、螺栓、墊片、倒角、倒圓角、電氣接線盒、支撐組件、油封等對傳熱和流動特性影響非常小的次要零件;③將電機(jī)中球墨鑄鐵、鋼板、碳素鋼板、碳素結(jié)構(gòu)鋼等與純鐵相近的材料均按照純鐵的物性計算;④近似認(rèn)為電機(jī)內(nèi)空氣物性隨其溫度線性變化,忽略電機(jī)內(nèi)其他材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度的變化;⑤假設(shè)電機(jī)已處于穩(wěn)定運行狀態(tài),空氣處于連續(xù)穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

1.2 求解域物理模型

進(jìn)行以上合理簡化后的電機(jī)三維模型縱截面剖視圖如圖1所示,電機(jī)的幾何參數(shù)見表1。電機(jī)的轉(zhuǎn)速為2 014 r/min,轉(zhuǎn)子周向均勻分布12個直徑為25 mm的通風(fēng)孔,定轉(zhuǎn)子氣隙厚度為1.8 mm。

表1 電機(jī)幾何參數(shù)

1:風(fēng)扇;2:轉(zhuǎn)子壓板;3:轉(zhuǎn)子鐵心;4:轉(zhuǎn)子線圈;5:定子線圈;6:定子鐵心;7:軸承;8:轉(zhuǎn)軸;9:入口濾塵裝置圖1 自通風(fēng)電動機(jī)結(jié)構(gòu)三維模型

電機(jī)在額定狀態(tài)下運行時,所產(chǎn)生的鐵損、銅損、雜散損耗及機(jī)械損耗如表2所示。以上各類損耗分別加載在對應(yīng)部件上,其中鐵耗的70%加載在定子鐵心,30%加載在轉(zhuǎn)子鐵心,雜散損耗的50%加載在定子鐵心,另外50%加載在轉(zhuǎn)子鐵心[9]。各相關(guān)部件的總損耗和體積損耗如表3所示。求解的物理模型包含流體域,按照多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系方法的要求,將流體域劃分為旋轉(zhuǎn)部件周圍的流體域和靜止部件周圍的流體域兩部分,如圖2所示。

表2 各類損耗數(shù)值 kW

表3 電機(jī)各部件損耗分布

圖2 求解域模型

電機(jī)運行時風(fēng)扇高速轉(zhuǎn)動,在電機(jī)內(nèi)特別是風(fēng)扇周圍產(chǎn)生低壓區(qū),在壓差驅(qū)動下,低溫空氣經(jīng)過入口濾塵裝置過濾掉灰塵顆粒后進(jìn)入電機(jī),通過定子與轉(zhuǎn)子之間的氣隙和轉(zhuǎn)子鐵心上沿圓周均勻分布的12個通風(fēng)孔對電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子進(jìn)行冷卻,最后熱風(fēng)通過風(fēng)扇從風(fēng)罩徑向的格柵流出。

1.3 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)基本假設(shè)⑤,空氣處于連續(xù)穩(wěn)定的工作狀態(tài),則空氣滿足連續(xù)性方程

div(ρU)=0

(1)

式中U為空氣的速度。

對于該穩(wěn)態(tài)問題,湍流動量方程、能量方程以及標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程可寫成如下通用形式[10]

div(ρVφ)=div(Γgradφ)+S

(2)

本文采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型計算,近壁面區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)進(jìn)行處理。

1.4 邊界條件

1.4.1 速度邊界條件 本文研究的電機(jī)為自通風(fēng)電動機(jī),轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)速決定入口和出口處的空氣流速,故將入口設(shè)置為壓力入口邊界條件,相對壓力為0;出口設(shè)置為壓力出口邊界條件,相對壓力為0。旋轉(zhuǎn)流體域和靜止流體域交界面采用interior邊界。流體和固體交界面采用無滑移固壁邊界條件,即uair=uwall。

電機(jī)外表面設(shè)置為第三類邊界條件,對于靜止部件,例如定子鐵心等,根據(jù)水平圓柱在空氣中自然對流的特征數(shù)關(guān)聯(lián)式(3)[11]及式(4),求得靜止部件在空氣中的自然對流換熱系數(shù)h1為5.5 W/(m2·K),關(guān)聯(lián)式如下所示

(3)

h=Nuλ/l

(4)

式中:l取定子鐵心外徑0.51 m;λ取40 ℃下的空氣導(dǎo)熱系數(shù)0.026 62 W/(m·K)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)部件包括轉(zhuǎn)子鐵心、轉(zhuǎn)子線圈、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等,其中直接暴露在外部空氣中的有轉(zhuǎn)軸端部和軸承,外表面為在空氣中的強(qiáng)制對流換熱,文獻(xiàn)[12]表明氣體強(qiáng)制對流換熱系數(shù)取值范圍為20～100 W/(m2·K),近似取轉(zhuǎn)軸和軸承外部的對流換熱系數(shù)h2為80 W/(m2·K)。

1.4.2 溫度邊界條件 流固界面和固固界面采用熱耦合邊界條件[13]。出口側(cè)流體域在軸向由于有薄片結(jié)構(gòu)與空氣相隔,建模中為了簡化計算,將薄片結(jié)構(gòu)忽略,因此流體域出口側(cè)在軸向近似為絕熱邊界,即熱流量q=0。

1.5 網(wǎng)格劃分

采用Workbench中Mesh模塊對圖2中所示求解域進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格劃分的基本思想是保證網(wǎng)格在不同零件交界面處節(jié)點對齊;由于流動比導(dǎo)熱問題更復(fù)雜,故將流體區(qū)網(wǎng)格設(shè)置得較固體區(qū)更密;流體區(qū)創(chuàng)建邊界層網(wǎng)格以提高流場計算準(zhǔn)確度;對于質(zhì)量較差網(wǎng)格,例如定子線圈等部位,進(jìn)行局部面網(wǎng)格加密,以保證較好的網(wǎng)格質(zhì)量。

網(wǎng)格劃分示意圖如圖3所示,共2 820萬個有限元體積。在Mesh模塊中進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量檢測,檢測結(jié)果表明網(wǎng)格的質(zhì)量基本在0.45以上,網(wǎng)格傾斜率基本在0.75以下,一般工程問題網(wǎng)格質(zhì)量保證在0.3以上,傾斜率保證在0.9以下即可,網(wǎng)格質(zhì)量和傾斜率兩個參數(shù)的檢測結(jié)果表明網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

為了進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性驗證,對求解域劃分4套網(wǎng)格,網(wǎng)格數(shù)依次為1 029萬、1 820萬、2 820萬、3 670萬,在相同的邊界條件下計算進(jìn)口流量和熱流量的變化如圖4所示,根據(jù)網(wǎng)格無關(guān)性驗證結(jié)果,本文采用2 820萬網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值計算。

圖4 網(wǎng)格無關(guān)性驗證

2 實驗驗證

為了校核仿真的可靠性,對電機(jī)額定狀態(tài)下穩(wěn)態(tài)運行時的溫度進(jìn)行實驗測量。

實驗采用預(yù)埋熱敏電阻的方法。實驗系統(tǒng)主要由電源、測試電機(jī)、負(fù)載電機(jī)、計算機(jī)控制系統(tǒng)等組成[14],其中實驗電源采用靜態(tài)正弦電源。

由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),難以實時測量其溫度,且仿真結(jié)果表明轉(zhuǎn)子相比定子溫度較低,轉(zhuǎn)子部分不會發(fā)生超溫,因此實驗主要測量定子線圈的溫度。測點布置在周向0°、90°、180°、270°,即圖5a中的1、2、3、4號槽口位置。測量以上4個線圈在軸向中心截面兩側(cè)的溫度,如圖5b所示。

(a)橫截面

(b)縱截面圖5 實驗測點布置示意圖

實驗的相關(guān)參數(shù)如表4所示。實驗過程中電機(jī)保持在額定工況下運行,額定轉(zhuǎn)速為2 014 r/min,運行240 min后認(rèn)為溫度場達(dá)到穩(wěn)態(tài)(即1 h內(nèi)溫度變化小于1 ℃),開始測溫。實驗結(jié)果如表5所示,將中心截面兩側(cè)的溫度取平均,近似認(rèn)為是中心平面的溫度。

表4 相關(guān)實驗參數(shù)

表5 實驗測得的定子線圈溫度

實驗結(jié)果表明:周向180°和270°處的溫度明顯高于周向0°、90°,主要原因是1、2號槽口之間、1、4號槽口之間、2、3號槽口之間的機(jī)箱表面均存在支撐組件,如圖5a所示,這些附件結(jié)構(gòu)在很大程度上增大了散熱面積,導(dǎo)致3、4號槽口處的溫度最高。1號槽口定子線圈溫度略高于2號,主要原因是1號槽口上面存在電氣接線盒,電氣接線盒內(nèi)有空氣存在,為熱的不良導(dǎo)體,在一定程度上阻礙散熱。

統(tǒng)計對應(yīng)線圈在軸向中心截面的仿真計算溫度,并將仿真計算結(jié)果與實驗結(jié)果進(jìn)行對照,計算相對誤差如表6所示。

表6 數(shù)值模擬結(jié)果校核

校核表明仿真最大相對誤差小于8.0%,滿足工程要求,驗證了本文數(shù)值模擬方法的可靠性。

對比仿真結(jié)果與實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn),仿真計算溫度略小于實驗溫度。誤差來源分析如下:第一,實驗中熱敏電阻貼在絕緣層表面,實際測得溫度為絕緣層的溫度,仿真計算的是定子線圈的溫度,兩者之間有一定偏差;第二,仿真中將損耗近似為均勻分布,導(dǎo)致了一定誤差。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 流場結(jié)果與分析

圖6給出了求解域縱截面(z=0平面)的速度分布云圖。由圖可以看出:風(fēng)扇葉頂速度最大,達(dá)42 m/s,因為所有旋轉(zhuǎn)部件轉(zhuǎn)速相同,而風(fēng)扇葉頂半徑最大,故轉(zhuǎn)速最高,根據(jù)無滑移邊界uair=uwall,葉頂處應(yīng)有最大流速;定轉(zhuǎn)子氣隙中平均流速約為23 m/s,雷諾數(shù)Re=ud/ν=18 750,處于較強(qiáng)湍流狀態(tài);定子端部線圈附近空氣也具有一定速度,可為定子端部線圈起到一定冷卻作用。

圖6 z=0平面速度云圖

圖7 z=0平面溫度云圖

3.2 溫度場結(jié)果與分析

圖7給出了z=0平面的溫度云圖。由圖可以看出:定子部分溫度最高,轉(zhuǎn)子線圈和鐵心溫度較低,兩者溫差約為50 ℃。因為該帶載工況下,定轉(zhuǎn)子的體積損耗在同一數(shù)量級,主要影響溫度分布的因素是熱邊界條件。定子鐵心外側(cè)為空氣中自然對流的邊界條件,近似為絕熱,熱量很難通過定子鐵心外壁面散出。從轉(zhuǎn)子徑向看,不僅內(nèi)側(cè)有轉(zhuǎn)軸軸向?qū)?且鐵心內(nèi)部有12個通風(fēng)孔,外側(cè)有定轉(zhuǎn)子氣隙的強(qiáng)制對流換熱對其進(jìn)行冷卻。此外,從轉(zhuǎn)子軸向看,轉(zhuǎn)子兩端都有高速流動的空氣,也可提供較好的冷卻環(huán)境。

圖8給出了定子線圈在4號槽內(nèi)的溫度沿軸向的分布。

圖8 4號槽定子導(dǎo)線沿軸向的溫度分布

由圖8可以看出,槽內(nèi)定子線圈溫度沿軸向不是嚴(yán)格對稱分布,最高溫度達(dá)149.4 ℃,位于軸向中心截面偏離非傳動端一側(cè)(即空氣出口側(cè))約25 mm處。因為出口處的空氣溫度比入口的空氣溫度高,故空氣出口的冷卻效果比入口處的更差。此外,最高溫度149.4 ℃小于該電機(jī)所用絕緣材料的絕緣等級H級對應(yīng)允許最高溫度180 ℃,故在額定狀態(tài)下運行不會超溫。

3.3 影響因素分析

本文對電機(jī)在額定帶載狀態(tài)下不同轉(zhuǎn)速時的流動與傳熱進(jìn)行了分析,相關(guān)研究表明鐵耗近似隨轉(zhuǎn)速線性變化[15]?；诖私Y(jié)論,得出不同轉(zhuǎn)速下的流量和定子線圈最高溫度和最高溫升如圖9、圖10所示。圖9表明,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增大,電機(jī)進(jìn)出口空氣流量近似線性升高。

圖9 轉(zhuǎn)速對空氣流量的影響

溫升指電機(jī)中定子線圈高出環(huán)境的溫度。圖10給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速對定子線圈最高溫度和最大溫升的影響,可以看出,隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增大,定子線圈最高溫度和最大溫升都近似隨之線性升高。轉(zhuǎn)速每升高1 000 r/min,定子線圈最高溫度升高6.2%,最大溫升平均升高7.5%。盡管電機(jī)轉(zhuǎn)速增大,空氣流量增大,冷卻能力增強(qiáng),但是鐵耗也隨著轉(zhuǎn)速增大,導(dǎo)致定子線圈溫度隨轉(zhuǎn)速增大而上升。

圖10 轉(zhuǎn)速對定子線圈最高溫度及最大溫升的影響

此外,本文還研究了電機(jī)工作在10,20,30,40 ℃下的流動傳熱特性,結(jié)果如圖11所示。

圖11 環(huán)境溫度對定子線圈最高溫度及最大溫升的影響

圖11表明,隨著環(huán)境溫度升高,定子線圈最高溫度近似隨之線性升高,最大溫升也隨著環(huán)境溫度升高略有升高,與最高溫度變化趨勢相比,增長幅度較小。環(huán)境溫度每升高10 ℃,最高溫度提高10.1%,最大溫升提高2.3%。當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到40 ℃時,最高溫度達(dá)149.4 ℃,是常見的最危險的工作環(huán)境。環(huán)境溫度較高時,空氣與電機(jī)之間溫差變小,空氣對電機(jī)的冷卻效果顯著變差,電機(jī)運行時更易超溫。

對比環(huán)境溫度與轉(zhuǎn)速對最高溫度與最大溫升的影響,發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度對最高溫度影響更顯著,對溫升的影響略小。

4 結(jié) 論

本文對自通風(fēng)電動機(jī)在額定工作狀態(tài)下的流動傳熱特性進(jìn)行了數(shù)值分析,對溫度場進(jìn)行了實驗測量,并探究了環(huán)境溫度與轉(zhuǎn)速對流動傳熱特性的影響,得出以下結(jié)論:

(1)電機(jī)溫度沿軸向和周向分布都呈現(xiàn)出不對稱性。在周向,底部和接線柱之間溫度最高。實驗表明,周向不同槽口定子線圈溫差可達(dá)10 ℃。在軸向,中心截面偏非傳動端約25 mm處溫度最高,非傳動端溫度高于傳動端。因此,將電機(jī)簡化為對稱模型,取1/N部分計算會帶來較大誤差。

(2)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速增大,定子線圈最高溫度近似隨之線性升高,當(dāng)電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速4 000 r/min時,定子線圈溫度最高,達(dá)160 ℃;隨著電機(jī)工作環(huán)境溫度升高,定子線圈最高溫度近似線性升高,定子線圈最大溫升也有小幅度升高,當(dāng)環(huán)境溫度達(dá)到40 ℃時,最高溫度達(dá)149.4 ℃,最大溫升達(dá)108 K,分別小于其表面包裹的H級絕緣等級最高允許溫度180 ℃和最高允許溫升125 K,因此電機(jī)設(shè)計中應(yīng)以在最高環(huán)境溫度和最高轉(zhuǎn)速下運行作為設(shè)計熱校核的標(biāo)準(zhǔn)工況。

(3)定子溫度比轉(zhuǎn)子溫度平均高出50 ℃,轉(zhuǎn)子基本不會引起電機(jī)超溫,要消除電機(jī)的超溫隱患,應(yīng)從定子著手。