永磁電機(jī)自然散熱及水冷系統(tǒng)分析

李 爭(zhēng) 史雁鵬 杜深慧 李建軍 李 瑩 李旭東

(1. 河北科技大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 石家莊 050018； 2. 河北新四達(dá)電機(jī)股份有限公司， 石家莊 052106)

電機(jī)的溫升直接影響著電機(jī)的性能，高溫會(huì)破壞電機(jī)繞組的絕緣，限制電機(jī)的輸出，對(duì)于永磁電機(jī)，高溫會(huì)嚴(yán)重影響永磁體的磁性，甚至造成不可逆退磁[1-4]．現(xiàn)代電機(jī)大多采用較高的電磁負(fù)荷，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行必然會(huì)使溫度升高[5]，超過一定值后則會(huì)影響電機(jī)的性能，為了提高電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，需要對(duì)電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行有效的分析，并在此基礎(chǔ)上研究減小電機(jī)損耗及改善電機(jī)冷卻的方法．國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)的分析主要有兩種方法，一種是熱網(wǎng)絡(luò)法，即解析法，一種是有限元法．熱網(wǎng)絡(luò)法的優(yōu)點(diǎn)在于其計(jì)算速度快，但在一些極端情況下計(jì)算結(jié)果不夠準(zhǔn)確；有限元法計(jì)算速度與熱網(wǎng)絡(luò)法相比較慢，但是計(jì)算結(jié)果更準(zhǔn)確，計(jì)算機(jī)技術(shù)及數(shù)值計(jì)算方法的不斷發(fā)展使得有限元法在電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算中得到廣泛應(yīng)用．現(xiàn)階段降低電機(jī)溫升的方法主要為水冷散熱，根據(jù)水路結(jié)構(gòu)的不同又有3種不同的散熱方案，分別為軸向水路、周向水路和并聯(lián)水路．文獻(xiàn)[6]利用有限元軟件分析了車用永磁同步電機(jī)不同工況下的溫升大小和分布，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了有限元軟件分析的準(zhǔn)確性，但是沒有給出電機(jī)溫度過高后的散熱方案；文獻(xiàn)[7]對(duì)車用開關(guān)磁阻電機(jī)不同工況下的溫升進(jìn)行了分析，并提出了一種降低定子和繞組溫度的方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了溫升實(shí)驗(yàn)，證明了有限元軟件在開關(guān)磁阻電機(jī)溫度分析中的有效性，但是只是對(duì)自然散熱進(jìn)行了分析．

本文首先建立電機(jī)電磁仿真模型，并計(jì)算電機(jī)額定工況下的鐵耗和銅耗等主要損耗分布，求出電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行情況下?lián)p耗分布的平均值進(jìn)而計(jì)算得到電機(jī)各主要部分的生熱率．在穩(wěn)態(tài)熱學(xué)分析模塊中設(shè)置熱源及邊界條件等參數(shù)，考慮仿真模型的熱傳遞和熱對(duì)流等影響，計(jì)算電機(jī)在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下的溫度場(chǎng)分布，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證有限元軟件仿真的準(zhǔn)確性．最后在原有電機(jī)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了軸向水路的水冷結(jié)構(gòu)，計(jì)算水冷情況下電機(jī)溫度分布情況，與自然散熱對(duì)比證明水冷散熱的有效性，為以后研究大功率永磁電機(jī)的散熱問題提供經(jīng)驗(yàn)和參考．

1 電機(jī)模型建立

本文以一臺(tái)110 kW變頻調(diào)速永磁電機(jī)為研究對(duì)象，在電磁仿真軟件中根據(jù)電機(jī)方案清單中的參數(shù)建立電機(jī)三維有限元模型，為下一步計(jì)算電機(jī)的溫度場(chǎng)分布提供基礎(chǔ)．

在電機(jī)磁場(chǎng)及損耗的計(jì)算過程中，為了簡(jiǎn)化計(jì)算提高計(jì)算效率，建立電機(jī)的二維有限元模型，設(shè)置電機(jī)模型的邊界條件并加載激勵(lì)源，對(duì)求解參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，最后進(jìn)行求解，得到電機(jī)的磁場(chǎng)分布及各部分損耗情況，進(jìn)一步求出電機(jī)中主要生熱部件的生熱率，電機(jī)主要參數(shù)見表1．通過有限元軟件計(jì)算得到電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布情況，圖1為電機(jī)的磁密云圖，圖2為電機(jī)的磁感線分布圖．

表1 電機(jī)主要參數(shù)

圖1 電機(jī)的磁密云圖 圖2 電機(jī)的磁感線分布圖

電機(jī)的溫升主要是由電機(jī)的損耗產(chǎn)生，永磁電機(jī)的損耗包括定子和轉(zhuǎn)子鐵芯損耗、定子繞組銅耗、風(fēng)磨損耗、機(jī)械損耗和雜散損耗．在電機(jī)自然冷卻散熱和水冷散熱的情況下不需要通風(fēng)，所以轉(zhuǎn)子風(fēng)磨損耗很小，同時(shí)雜散損耗與鐵芯損耗及銅耗相比所占比重很小，對(duì)電機(jī)整體溫升影響很小，因此可以忽略．

在有限元軟件中設(shè)置電機(jī)額定工況運(yùn)行情況下的參數(shù)，計(jì)算電機(jī)在此條件下的各主要部件損耗，取電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行之后的銅耗和鐵耗數(shù)據(jù)，如圖3和圖4所示，通過軟件自帶的avg函數(shù)求得電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后的平均銅耗和平均鐵耗．

圖3 電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后銅耗曲線

圖4 電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后定、轉(zhuǎn)子鐵芯損耗之和曲線

2 電機(jī)溫度場(chǎng)分析及仿真

對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)耦合計(jì)算一般有兩種方案．第1種方案是單向耦合，其原理是首先計(jì)算出其中一個(gè)求解器的求解結(jié)果，將該結(jié)果作為另一個(gè)求解器的初始條件并進(jìn)行下一步計(jì)算；第2種方案是雙向耦合，在雙向耦合中兩個(gè)求解器的求解數(shù)據(jù)相互傳遞，求解結(jié)果相互影響，直到求解結(jié)果最終收斂達(dá)到穩(wěn)定．由于雙向耦合計(jì)算量成倍增加，因此目前關(guān)于電機(jī)溫度場(chǎng)的仿真以單向耦合為主．

電機(jī)各部分損耗產(chǎn)生的熱量以熱源的形式作用到電機(jī)上，在有限元軟件中通過設(shè)置生熱率[8-9]完成電機(jī)內(nèi)熱源的設(shè)置．生熱率計(jì)算公式為

(1)

式中，Q表示生熱率；Wq表示電機(jī)各部分熱損耗；V表示電機(jī)各部分體積．

根據(jù)電磁仿真軟件中計(jì)算得到的電機(jī)各部分損耗，求得電機(jī)各主要部分生熱率見表2．

表2 電機(jī)各主要部分生熱率 (單位：W/m3)

根據(jù)傅里葉定律可得單位面積傳熱為[10-11]

(2)

式中，dФ表示熱流量；dA表示微元面積；λ為物體的導(dǎo)熱系數(shù)；T表示任意位置的溫度．

在dτ時(shí)間內(nèi)，某一微元體內(nèi)增加的內(nèi)能由導(dǎo)入的熱量和自生的發(fā)熱組成，其中內(nèi)能的增量為

(3)

微元體內(nèi)導(dǎo)入的熱量為dQ1

(4)

微元體自生的發(fā)熱量為dQ2

dQ2=qvdxdydzdτ

(5)

根據(jù)熱平衡定律可得

dV=dQ1+dQ2

(6)

進(jìn)而可以推導(dǎo)出微元的熱平衡方程為

(7)

式中，ρ表示物體的密度；cv表示物體的比熱容．

對(duì)電機(jī)求解域進(jìn)行求解，得到電機(jī)溫度場(chǎng)的計(jì)算方程為[11]

[K]·[T]=[F]

(8)

式中，K表示電機(jī)導(dǎo)熱系數(shù)矩陣；T表示電機(jī)求解域各節(jié)點(diǎn)溫度組成的矩陣；F表示電機(jī)總體熱源矩陣．

將電磁場(chǎng)分析軟件中的電機(jī)模型導(dǎo)入穩(wěn)態(tài)溫度計(jì)算軟件，抑制不需要的部分，對(duì)電機(jī)進(jìn)行網(wǎng)格剖分并設(shè)置電機(jī)各部分熱源的生熱率．設(shè)置電機(jī)傳熱系數(shù)，忽略熱輻射對(duì)電機(jī)溫升的影響，只考慮模型的熱傳遞和熱對(duì)流[12-14]，計(jì)算電機(jī)在額定工況下穩(wěn)定運(yùn)行之后電機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)的分布情況．

有限元軟件仿真結(jié)果如圖5～8所示，從圖中可以看出電機(jī)的主要發(fā)熱集中在定子繞組上，且上層繞組溫度高于下層繞組，最高溫度達(dá)到75℃．上層繞組位于定子槽內(nèi)側(cè)，雖然與定子距離較近，但是由于繞組外部包裹有絕緣層，且上層繞組附近空氣流速較慢，所以上層繞組溫度較高．下層繞組靠近氣隙，電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)過程中帶動(dòng)氣隙空氣運(yùn)動(dòng)，使電機(jī)氣隙與定子槽契存在熱對(duì)流，因此下層繞組散熱情況更好．

圖5 電機(jī)整體溫度 圖6 電機(jī)定子溫度

圖7 電機(jī)繞組溫度 圖8 電機(jī)永磁體溫度

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了對(duì)有限元軟件計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，在電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行額定工況下的電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)．主要測(cè)量電機(jī)繞組及定子溫度，電機(jī)溫度的采集通過預(yù)埋的熱電偶作為測(cè)溫元件，將熱電偶測(cè)得的溫度信號(hào)傳遞到接收器上，實(shí)時(shí)記錄電機(jī)溫度的變化，電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示．

圖9 電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

電機(jī)繞組溫升的實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比如圖10所示．從圖中可以看出額定工況下電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后，繞組仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比誤差很小，經(jīng)計(jì)算穩(wěn)定運(yùn)行后的誤差約占實(shí)驗(yàn)結(jié)果的4.5%，誤差符合要求．

圖10 電機(jī)繞組溫度實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

電機(jī)定子溫升的仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，經(jīng)計(jì)算電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后的有限元軟件計(jì)算誤差約占實(shí)驗(yàn)結(jié)果的5%，誤差符合要求．因此可以認(rèn)為有限元法計(jì)算電機(jī)額定運(yùn)行情況下的溫升是準(zhǔn)確的．

圖11 電機(jī)定子溫度實(shí)驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

4 電機(jī)水冷系統(tǒng)分析

對(duì)于大功率電機(jī)而言，額定工況電機(jī)溫升較大，簡(jiǎn)單的自然散熱往往不能滿足電機(jī)冷卻的要求．給電機(jī)增加水冷系統(tǒng)，通過水冷散熱可使電機(jī)溫升大大降低．由于水的比熱容及對(duì)流散熱系數(shù)大于空氣，所以水冷散熱效果要優(yōu)于自然散熱[4]．外轉(zhuǎn)子式永磁同步電機(jī)的熱源主要集中在定子繞組，因此將水冷系統(tǒng)設(shè)置在電機(jī)定子上可以充分發(fā)揮水冷系統(tǒng)的冷卻能力．

水冷系統(tǒng)冷卻結(jié)構(gòu)主要有3種：軸向水路、周向水路和并聯(lián)水路．軸向水路的水流方向主要是沿電機(jī)軸向，水路的入口和出口在電機(jī)同側(cè)．周向水路的水流方向是沿電機(jī)圓周的方向，水路入口和出口在電機(jī)軸向的兩側(cè)．這種水路結(jié)構(gòu)會(huì)使電機(jī)兩側(cè)溫差較大，靠近水路出口側(cè)電機(jī)的溫度大于靠近水路入口側(cè)電機(jī)的溫度．并聯(lián)水路以周向水路為基礎(chǔ)并進(jìn)行改進(jìn)，使水路的出口和入口在電機(jī)同側(cè)，解決了周向水路中存在的電機(jī)兩側(cè)溫差較大的問題．但是周向水路中主水路的水流速度大于支水路，使得水路內(nèi)水的流速不均．本文采用的水路結(jié)構(gòu)為軸向水路，在保證水流速度均勻的前提下，避免了在電機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)電機(jī)兩側(cè)溫度分布不均的情況．

假設(shè)水流入口處和出口處的溫度差為ΔT，根據(jù)介質(zhì)吸收功率的公式對(duì)冷卻結(jié)構(gòu)內(nèi)水的流量進(jìn)行求解[15]．

標(biāo)準(zhǔn)編寫組詳細(xì)匯報(bào)了《頁巖氣田鉆井井控安全技術(shù)規(guī)程》《頁巖氣井帶壓作業(yè)安全技術(shù)規(guī)程》兩份標(biāo)準(zhǔn)的編制背景與目的、編制過程、主要技術(shù)內(nèi)容、征求意見匯總采納情況等四方面的內(nèi)容。標(biāo)準(zhǔn)審查專家組對(duì)標(biāo)準(zhǔn)送審稿的各項(xiàng)內(nèi)容進(jìn)行了充分、細(xì)致的討論和技術(shù)審定，并提出了修改建議，形成了審查專家意見。審查組專家認(rèn)為，該標(biāo)準(zhǔn)起草程序完善，符合標(biāo)準(zhǔn)的編寫要求，送審材料齊全，符合審查要求。但是標(biāo)準(zhǔn)中各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的確定多以涪陵地區(qū)頁巖氣開發(fā)為依據(jù)，建議在中石油、中石化、中海油等企業(yè)充分征求意見并根據(jù)反饋意見修改后，再次組織標(biāo)準(zhǔn)審查。

P=c·ρ·q·ΔT

(9)

式中，P表示冷卻水吸收的功率；c表示冷卻水的比熱容；ρ表示冷卻水的密度，q表示水流量．

假設(shè)水流入口和出口的溫度差ΔT為10℃，經(jīng)計(jì)算得

(10)

電機(jī)損耗的經(jīng)驗(yàn)公式為

(11)

式中，P1表示電機(jī)損耗；K表示電機(jī)發(fā)熱系數(shù)；P0表示電機(jī)額定功率；ηN表示電機(jī)效率．

當(dāng)電機(jī)發(fā)熱最大時(shí)，取K=1，經(jīng)計(jì)算得P1=7.146 kW，由于冷卻水的吸熱速率需要大于或等于電機(jī)損耗的產(chǎn)生速率才能達(dá)到限制電機(jī)溫度升高及降溫的效果，所以令P>P1，得

(12)

解得q≥28 L/min．

冷卻水流速的表達(dá)式為

(13)

式中，v表示冷卻水的流速；s表示水冷管的橫截面積．水冷管的內(nèi)徑為16 mm，最終求得冷卻水的流速為v=2.32 m/s．

在原電機(jī)模型上增加水冷結(jié)構(gòu)，水冷結(jié)構(gòu)采用軸向水路，以S型盤繞在電機(jī)定子外側(cè)的凹槽內(nèi)，將水路的出口和入口設(shè)置在同側(cè)．在流場(chǎng)仿真軟件中設(shè)置邊界條件及冷卻水流速等參數(shù)，將求解器結(jié)果耦合到自然散熱情況下電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)的仿真模型中，計(jì)算電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行后水冷系統(tǒng)對(duì)電機(jī)的散熱效果，有限元軟件仿真結(jié)果如圖12～15所示．

圖12 電機(jī)整體溫度分布 圖13 電機(jī)定子溫度分布

圖14 電機(jī)繞組溫度分布 圖15電機(jī)永磁體溫度分布

從圖中可以看出電機(jī)整體的溫度與自然散熱相比得到不同程度的下降．電機(jī)定子的高溫部分位于定子齒部，最高溫度為28.872℃，比自然散熱情況下溫度下降超過50%．定子軛部分布有水冷系統(tǒng)，定子鐵芯中由于渦流損耗和磁滯損耗[16]產(chǎn)生的熱量被水冷系統(tǒng)的介質(zhì)帶走，加快了熱量傳遞的速度．增加水冷結(jié)構(gòu)后定子繞組最高溫度下降超過30%，轉(zhuǎn)子內(nèi)嵌的永磁體溫度下降超過60%．自然散熱和水冷散熱情況下的電機(jī)最高溫度對(duì)比見表3．

表3 電機(jī)最高溫度對(duì)比 (單位：℃)

當(dāng)電機(jī)負(fù)載大于額定負(fù)載時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行會(huì)使電機(jī)的溫度高于額定負(fù)載下電機(jī)的溫度，此時(shí)對(duì)電機(jī)的散熱能力提出較高要求．

在電機(jī)過載5%的情況下，對(duì)電機(jī)的損耗進(jìn)行仿真，進(jìn)而求出生熱率，此時(shí)的生熱率見表3．

表4 電機(jī)各主要部分生熱率 (單位：W/m3)

通過生熱率計(jì)算電機(jī)的溫升，如圖16～17所示．從圖中可以看出在該工況下電機(jī)繞組溫升超過94℃，超過B級(jí)絕緣繞組溫升限值，在自然冷卻的情況下不能滿足電機(jī)的散熱需求．

圖16 電機(jī)繞組溫度分布 圖17 電機(jī)定子溫度分布

將上述自然散熱方案替換為水冷散熱方案，如圖18～19所示．從圖中可以看出采用水冷散熱方案后繞組的溫升下降到66℃，下降幅度達(dá)到29.8%，達(dá)到B級(jí)絕緣的繞組溫升限值．定子溫升由自然散熱情況下的72℃下降到34℃，下降幅度超過52%，水冷散熱系統(tǒng)有效降低了電機(jī)的溫升，使其滿足絕緣等級(jí)的要求．

圖18 電機(jī)繞組溫度分布 圖19 電機(jī)定子溫度分布

5 結(jié) 論

本文建立了110 kW電機(jī)有限元模型，計(jì)算了電機(jī)在額定工況下的磁場(chǎng)分布和穩(wěn)定運(yùn)行后電機(jī)的主要損耗．在此基礎(chǔ)上計(jì)算了電機(jī)自然散熱情況下的溫度場(chǎng)分布，并進(jìn)行了樣機(jī)的溫升實(shí)驗(yàn)．將仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明有限元計(jì)算存在一定誤差，但是在可以接收的范圍內(nèi)，證明了有限元軟件計(jì)算的準(zhǔn)確性．在電機(jī)自然冷卻模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了軸向水冷結(jié)構(gòu)，計(jì)算了電機(jī)水冷情況下的溫升．通過與自然散熱仿真對(duì)比，結(jié)果表明水冷系統(tǒng)可以有效降低電機(jī)溫升，保證電機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行下的可靠性，使定子繞組絕緣免受高溫的破壞，防止永磁體因?yàn)楦邷囟舜牛畬?duì)今后研究降低大功率電機(jī)溫升的方法提供經(jīng)驗(yàn)和參考．