動車組牽引電機通風系統(tǒng)仿真計算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

關 穎，李一凡，李明海

(1.大連交通大學機車車輛工程學院，遼寧 大連 116028)(2.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 064000)

隨著近年來中國鐵路的高速發(fā)展，列車速度不斷提升，對高速列車提出了更高的要求。牽引電機作為動車組上的動力來源，其性能對動車組的安全、可靠性具有重要影響。在運行時，牽引電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能的過程中總會有一定的能量損失，產(chǎn)生的熱能使電機整體溫度升高，從而使其內(nèi)部絕緣能力降低，影響電動機的效率，縮短使用壽命，嚴重時可能將電機燒毀。因此，電機的通風散熱變得至關重要。采用高效、準確的計算機仿真計算技術，模擬電機內(nèi)的流場和溫度場可以提高設計的可靠性，縮短設計時間，降低設計成本。

對于軌道交通牽引電機冷卻系統(tǒng)，國內(nèi)外學者進行了相關研究，并取得了一定成果:文獻[1]建立牽引電機冷卻系統(tǒng)流固耦合傳熱仿真模型，研究冷卻液、電機損耗、入口溫度、水道寬度等對溫度場的影響；文獻[2]以一臺2.2 kW具有軟磁復合定子鐵心的盤式電機為例，采用有限體積元法對電機的電磁場、流體場和溫度場進行了耦合分析，為電機磁熱的有限元分析提供了一個系統(tǒng)的方法；文獻[3]采用等效熱路法和計算流體動力學(computational fluid dynamics,CFD)對比的方法對永磁同步電機進行溫升分析。

本文以動車組牽引電機為研究對象，基于計算流體動力學理論，對牽引電機內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬分析。

1 異步牽引電機通風散熱原理

異步牽引電機的熱量主要包括銅損、鐵損、機械損耗、附加損耗等[4]。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，可分為空冷和水冷等散熱形式。本文研究的異步電機采用強迫空冷散熱，電機模型及內(nèi)部冷卻空氣的流向如圖1和2所示。電機內(nèi)部包括轉(zhuǎn)軸、定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、繞組、永磁體、絕緣材料等?？諝鈴倪M風口進入電機內(nèi)部后，分別通過定子通風孔、轉(zhuǎn)子通風孔冷卻各發(fā)熱部件后，從另一端的出風口流出。

圖1 電機三維模型

圖2 電機內(nèi)部模型

2 CFD計算分析前處理

2.1 計算模型與網(wǎng)格劃分

牽引電機結(jié)構(gòu)復雜，需要對三維實體模型進行合理簡化，利用流體計算軟件ANSYS Icepak建模時去掉沒有空氣流動部分等與計算不相關的部分，流場計算模型如圖3所示。轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心上用沖模穿孔機壓出軸向通風孔，分別為16個和50個。電機主要參數(shù)見表1。為滿足網(wǎng)格的疏密分布合理、光滑性和貼體性要求，選用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(hexa unstructured)進行劃分，采用局部細化、多極化網(wǎng)格Muliti-level控制等手段進行網(wǎng)格劃分[5]。總體網(wǎng)格數(shù)為933 052，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為930 930。

圖3 牽引電機流場計算模型

表1 電機結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

2.2 理論分析

選用ANSYS Icepak提供的湍流模型中的標準 模型，且滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、K方程和ε方程[6-7]。利用基于有限體積法的FLUENT17.0對控制方程進行離散，分離求解器隱式求解。計算過程中能量離散方程殘差控制在10-7，其他方程殘差控制在10-3。

1)質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)。

(1)

式中：ρ為密度；t為時間；u，v，w為速度矢量u在x，y，z方向的分量。

2)動量守恒方程。

(2)

(3)

(4)

式中：p為作用在流體微元體上的壓力；τxx,τyx和τzx為黏性應力τ作用在各個微元體表面上的黏性力分量；Fx，F(xiàn)y和Fz為作用在微元體的質(zhì)量力，當質(zhì)量力只有重力時，F(xiàn)x=0，F(xiàn)y=0，F(xiàn)z=-ρg，其中g為重力加速度。

3)能量守恒方程。

(5)

式中：cp為比熱容；T為溫度；λ為流體的導熱系數(shù)；ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，有時簡稱ST為黏性耗散項。

2.3 邊界條件設置

根據(jù)異步牽引電動機的結(jié)構(gòu)特點和建立的計算模型，做出如下假設:

1)只考慮溫度的平均效應，即各熱源相對于該發(fā)熱部件平均分布；

2)將繞組作為整體進行模擬計算；

3)忽略在不同溫度下材料熱傳導屬性的變化；

4)將電機內(nèi)的空氣視作不可壓縮流體；

5)轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體上產(chǎn)生的損耗很少，熱源主要分布在定子繞組和定子鐵心上；

6)本文主要研究強迫風冷的散熱方式，忽略熱輻射的影響。

綜合電機的參數(shù)選擇以及外界環(huán)境因素的影響，邊界條件設置如下：

1)進風口總風量1.2 m3/s；

2)環(huán)境溫度40 ℃；

3)定子鐵心熱損耗量10.5 kW,定子繞組熱損耗量37.6 kW；

4)入口為速度邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，為一個標準大氣壓；

5)雷諾數(shù)Re遠大于2 300，為湍流模型。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 流場與溫度場分析

通過對定轉(zhuǎn)子通風孔流量配比的監(jiān)測，測得轉(zhuǎn)子16個通風孔體積流量共為0.49 m3/s，占總流量的41.08%；定子50個通風孔體積流量0.71 m3/s，占總流量的58.92%。圖4(a)顯示，溫度最高點出現(xiàn)在靠近進風口的端部繞組處，最高溫度為214.22 ℃。此處溫度高的主要原因是進入電機的冷卻空氣還未進入細小的通風孔，速度較低，冷卻效果較差。圖4(b)顯示，繞組平均溫度為201.07 ℃，與其他部件相比溫度整體偏高，這是繞組產(chǎn)生的損耗最大導致的；兩端部溫度高于中部，是因為兩端部無通風孔，熱量不易散出所致。圖4(c)顯示，定子最高溫度為203.84 ℃，平均溫度為188.48 ℃，軸向溫度梯度不明顯，徑向靠近繞組側(cè)溫度大于靠近機殼處。圖4(d)顯示，轉(zhuǎn)子最高溫度為203.98 ℃，平均溫度為187.83 ℃，轉(zhuǎn)子徑向溫度梯度的產(chǎn)生主要是通過定子和繞組的熱傳導傳遞熱量，由內(nèi)到外溫度逐漸升高。

圖4 電機溫度場分布

3.2 空氣流量對溫度的影響

當流量為1.2 m3/s時，各部分溫度過高，影響電機正常運行。為研究進風流量大小對電機溫升的影響，現(xiàn)保持發(fā)熱元件散熱量不變，分別設置從1.0 m3/s到5.0 m3/s、間隔為0.4 m3/s的進風流量，得到繞組和定子最高溫度與進風流量的關系曲線，如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著進風流量增大，繞組和定子溫度逐漸降低，但與此同時，溫度降低的幅度也在逐漸減小，也就是當流量增大到一定的數(shù)值時，繼續(xù)增大流量，對電機降溫效果的提升并不明顯。考慮到經(jīng)濟性和風機壓頭大小，在選擇風機時并不是流量越大越好，而是應該在滿足電機工作溫度的范圍內(nèi)，選擇適當流量的風機。

圖5 進風流量與各發(fā)熱部件最高溫度關系曲線

3.3 定轉(zhuǎn)子通風孔流量配比對溫度的影響

原始方案定子和轉(zhuǎn)子通風孔流量比值為1.43∶1。從3.1結(jié)果可知，最高溫度出現(xiàn)在繞組靠近進風口端部位置，且繞組整體溫度高于其他部件，所以應增大靠近繞組位置的冷卻流量，使其溫度降低?？梢圆捎酶淖兺L孔面積的方法，提出兩種優(yōu)化方案：

1)定子孔半徑從13 mm增大到16 mm；

2)轉(zhuǎn)子孔半徑從18 mm減小到12 mm。

在保持其他條件不變的前提下，兩種優(yōu)化方案的仿真計算結(jié)果見表2、表3。

表2 原始方案與各優(yōu)化方案最高溫度對比 單位：℃

表3 原始方案與各優(yōu)化方案流量配比對比

與原始方案相比，兩種優(yōu)化方案的定子孔流量均有所增加，但是優(yōu)化方案一的溫度不降反升，這是因為優(yōu)化方案一采用的是擴大定子孔徑向面積的方法，流量增加的同時速度反而從原始的14.6 m/s減小為11.9 m/s，對流換熱系數(shù)h變小，根據(jù)公式q=h(Tw-T∞)[8],可知單位面積的固體表面與流體之間在單位時間交換的熱量因?qū)α鲹Q熱系數(shù)變小，導致電機溫度升高，其中q為熱流密度,Tw與T∞分別為固體表面和流體的溫度；優(yōu)化方案二是定子孔徑向面積不變，流量和速度均增大，各部分最高溫度均降低了8 ℃左右，因此建議采用優(yōu)化方案二。

3.4 熵產(chǎn)分析

熱力學第二定律揭示了自然界中一切熱過程進行的方向、條件和限度。熱力學第二定律的表述方式也很多。其中具有代表性的表述如下：不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響。熵增加原理是熱力學第二定律的又一種表述：孤立系統(tǒng)的熵永不自動減少，熵在可逆過程中不變，在不可逆過程中增加。在自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總混亂度(熵)不會減小[8]。

傳熱過程中的不可逆損失即熵產(chǎn)。由冷卻空氣、牽引電機組成的系統(tǒng)中，氣流為低溫熱源，單位時間熵產(chǎn)ΔSair的計算公式為：

(6)

式中：T1，T2分別為進出口截面絕對溫度,K；P1,P2分別為進出口截面的絕對壓強，Pa；qm為空氣質(zhì)量流量，kg/s；Cp為空氣定壓比熱容，J/(kg·K)；Rg為空氣的氣體常數(shù)，J/(kg·K)。

繞組和定子是高溫熱源，單位時間熵產(chǎn)ΔS的計算公式為：

(7)

式中:負號意味著放出熱量;Q為熱源單位時間放出熱量，W；T為熱源溫度，K。ΔSair和ΔS之和是系統(tǒng)的總單位時間熵產(chǎn)[9]ΔStotal:

ΔStotal=ΔSair+ΔS

(8)

現(xiàn)用熵產(chǎn)理論分別分析不同風量和不同結(jié)構(gòu)下的電機散熱性能。將仿真結(jié)果代入式(10)，經(jīng)計算得出不同流量下的熵產(chǎn)值。如圖6(a)所示，熵產(chǎn)隨流量增大而增大，且隨流量的增大變化幅度增大。由熵產(chǎn)最小化理論[10]可知，較低熵產(chǎn)有利于散熱，但根據(jù)式(8)可知，隨流量增加，熵產(chǎn)勢必增大。這也從另一角度說明流量的增加雖然可以降低電機溫度，但并不是越大越好；風量為1.2 m3/s時原方案的單位時間熵產(chǎn)為150.3 W/K，優(yōu)化方案一的熵產(chǎn)為150.8 W/K，優(yōu)化方案二的熵產(chǎn)為143.5 W/K。圖6(b)為熵產(chǎn)對比折線圖。由圖可知，優(yōu)化方案二的熵產(chǎn)最低，散熱性能最好。因此熵產(chǎn)分析出的最優(yōu)結(jié)構(gòu)與仿真計算得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)相符合。

4 結(jié)論

1)增大空氣流量可有效降低電機溫度，但流量增大到一定程度時，電機溫度降低得不明顯。

2)計算結(jié)果表明，繞組溫度>定子溫度≈轉(zhuǎn)子溫度，說明繞組損耗對電機溫度的影響最大。在流量不變的條件下，應在不改變定子通風孔大小的前提下，增大定子通風孔的流量配比，因此可采取優(yōu)化方案二的方法，即縮小轉(zhuǎn)子通風孔面積。

3)熵產(chǎn)值(不可逆損失)隨流量增大而增大，且增大幅度越來越大；優(yōu)化方案二熵產(chǎn)最小，說明其結(jié)構(gòu)散熱效果最好，與仿真計算結(jié)果相吻合。

4)把冷卻空氣流經(jīng)牽引電機帶走的熱量折算成熵產(chǎn)作為仿真計算結(jié)果的評價指標，而非單一地考察電機各部件的溫度，驗證了仿真計算的準確性和可行性。