某無刷勵磁機空氣流場改進措施研究

趙忠霞 張萬全

（1．蘭州石化職業(yè)技術(shù)大學機械工程學院，甘肅 蘭州 730000；2．哈爾濱電氣國際工程有限責任公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

0 引言

無刷勵磁機是為同步電機旋轉(zhuǎn)磁場提供直流電的電機，分為定子、轉(zhuǎn)子、旋轉(zhuǎn)整流盤和外罩4個部分。從哈爾濱某電機廠引進原型機實體，使用密閉循環(huán)通風方式進行內(nèi)部冷卻，但是在對原型機進行工程仿制的過程中，存在風路不暢、局部溫升過高的情況。該文對原型無刷勵磁機空氣流場特性進行研究，并嘗試對通風系統(tǒng)進行改進，對工程實際指導具有重要意義。目前，關(guān)于封閉空間旋轉(zhuǎn)部件流場及溫度場的研究有很多，但大多數(shù)研究對象都是1個旋轉(zhuǎn)部件，無法體現(xiàn)無刷勵磁機內(nèi)部流場的運動規(guī)律。

1 建立物理及數(shù)學模型

1.1 物理模型

該文利用Gambit三維軟件構(gòu)建某無刷勵磁機物理屬性各不同的組及其組合件的幾何結(jié)構(gòu)圖，考慮真機結(jié)構(gòu)的對稱性及流場周期性，同時為了簡化運算，選取1/2的整機作為研究對象，通過布爾運算得到關(guān)于計算區(qū)域內(nèi)空氣區(qū)、固體區(qū)的三維物理模型，其物理模型簡圖如圖1所示。

圖1 計算域內(nèi)的三維物理模型

1.2 數(shù)學模型

無刷勵磁機內(nèi)部流體為不可壓縮流體，即=С（為流體密度，kg/m；C為常數(shù)）的流體，空氣流動處于紊流狀態(tài)也就是雷諾數(shù)＞2 320（注：2 320為下臨界雷諾數(shù)）。在旋轉(zhuǎn)參考坐標系中建立三維流動以及傳熱穩(wěn)態(tài)控制方程，轉(zhuǎn)子、整流盤部分采用穩(wěn)態(tài)流動控制方程組，包括質(zhì)量守恒方程及動量守恒方程式，能量守恒方程式如公式（1）所示。

式中：為散度，1/s；為流體的平均密度，kg/m；為溫度，K；為絕對速度矢量，m/s；為擴散系數(shù)；S為單位體積內(nèi)熱源產(chǎn)生的熱量與定壓比熱c的比值。

針對穩(wěn)態(tài)流動，流體質(zhì)量守恒方程如公式（2）所示。

式中：、和分別為流體在、和方向上的速度，m/s；為密度，kg/m。

勵磁機除轉(zhuǎn)子、整流盤外的其他部分位于三維固定直角坐標系中，描寫紊流問題的控制方程組也包括質(zhì)量、動量與能量守恒方程及標準k-ε兩方程湍流模型。

當應用CFD軟件計算時，必須選中定義Model選項中的剪切加熱（viscous heating）；當采用多重參考系定義邊界條件時，靜止的固體壁面與流體間無須設置相應參數(shù)，但是在旋轉(zhuǎn)的壁面與不旋轉(zhuǎn)的流體界面處，固體壁面Wall必須設置相應的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向；否則，貼壁黏性流體邊界層及由此產(chǎn)生的流體內(nèi)部剪切摩擦生熱計算模塊不能正確地與數(shù)學模型中的其他控制方程進行有效聯(lián)立；所有流體與固體壁面交界處均為默認耦合對流邊界，不需要設定對流換熱系數(shù)（由換熱微分方程求得）。換熱微分方程為固體與流體溫度場、流場聯(lián)系的關(guān)鍵方程。

2 2個方案的流場特性比對

2.1 計算條件

為進一步了解所設計的勵磁機定轉(zhuǎn)子冷卻風路是否合理，筆者對方案一紊流流場和溫度場進行三維數(shù)值模擬，通過三維流場數(shù)值模擬反演真機的實際運行狀態(tài)。方案一假設在定轉(zhuǎn)子上方的通風口為入口，整流盤上方通風口為出口，計算區(qū)域選取整機物理模型的1/2（圖1）。

計算條件如下：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為=4 800 r/min，入口壓力為0 MPa，出口壓力為0 MPa。中心剖面固體為固壁邊界，中心剖面的流體區(qū)域為周期性邊界。經(jīng)計算入口雷諾數(shù)遠大于2 320，屬于紊流范圍。某電機研究所通過電磁場計算得到各種損耗數(shù)值（表1），由表1可求出計算域內(nèi)各熱源數(shù)值，入口風筒均接近主機風扇前端，需要在計算三維流場后才能確定出、入口，根據(jù)電動機相關(guān)規(guī)范選取空氣入口溫度為40 ℃。當計算求解域內(nèi)的流場及溫度場時，貼壁處須滿足標準壁面函數(shù)要求，方程組采用分離及隱式求解，壓力速度耦合方程組采用SIMPLE算法，方程均采用二階迎風格式離散，經(jīng)多次網(wǎng)格調(diào)整，方程組獲得網(wǎng)格獨立收斂解。將無刷勵磁機計算域劃分成固體區(qū)域、流體區(qū)域，僅轉(zhuǎn)子和整流盤內(nèi)流體是旋轉(zhuǎn)空氣，會隨主軸一起旋轉(zhuǎn)，其他均為靜止流體。

表1 勵磁機內(nèi)定轉(zhuǎn)子部件損耗值（單位：W）

在確定計算域后，選取勵磁機入口以及出口邊界條件作為壓力的入出口，相對壓強均為0 MPa；中心剖面的流體區(qū)域為周期性邊界，固體區(qū)域為固體壁面，近壁處采用標準壁面函數(shù)，以=4 800 r/min的運行工況進行計算，方程求解控制參數(shù)相對誤差均為1×10，誤差在允許范圍內(nèi)，方程組獲得收斂解。

通過單一因素及方案一了解無刷勵磁機內(nèi)壓力、速度以及溫度等物理量的變化規(guī)律。在其基礎上，可以有針對性地改變通風結(jié)構(gòu)，達到降低峰值溫度及優(yōu)化設計的目的。由于方案一中冷卻轉(zhuǎn)子鐵心及線棒的空氣流到轉(zhuǎn)子鐵心及線棒需要的時間太長，同時進入遠離整流盤側(cè)轉(zhuǎn)子風溝進入的風量很少，因此冷卻效果不好。因為勵磁機中最重要的是要轉(zhuǎn)子及鐵心不超溫，所以方案二設計的入口在定轉(zhuǎn)子遠離整流盤的一側(cè)，出口在定轉(zhuǎn)子上方。在消化吸收引進技術(shù)過程中，設計新型通風風路，通過比對確定最優(yōu)通風方案，方案一的出、入口如圖2所示，方案二的出、入口如圖3所示。

2.2 流場特性比對分析

為了分析2個方案旋轉(zhuǎn)流區(qū)及固定流區(qū)內(nèi)的流動特性，該文匯總了進出口體積流量、計算域內(nèi)壓力范圍以及速度范圍等參數(shù)，見表2。

由表2可知，出、入口位置的選擇對風路有很大的影響。方案一設定整流盤上方為入口、定子上方為出口，通風風路如圖2所示。經(jīng)入口進入勵磁機的空氣分為3個部分：第一部分在整流盤及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)作用，在入口處相互削弱，形成短路；第二部分受整流盤的負壓吸風作用，冷卻遠離整流盤側(cè)轉(zhuǎn)子，最終進入定子背部，部分空氣直接通過定轉(zhuǎn)子氣隙進入整流盤側(cè)渦旋區(qū)做循環(huán)運動；第三部分空氣直接進入整流盤與轉(zhuǎn)子間的空腔，形成大的渦旋區(qū)，部分空氣經(jīng)通風槽（冷卻定轉(zhuǎn)子）后進入定子背部，小部分空氣直接從出口流出，大部分空氣重新參內(nèi)部循環(huán)。

表2 2個方案流場特性對比

圖2 方案一的通風風路圖

方案二設定定轉(zhuǎn)子左側(cè)上方為入口、定子上方為出口，通風風路如圖3所示。經(jīng)入口進入的空氣一部分在冷卻左側(cè)端部線棒后進入定轉(zhuǎn)子氣隙中，冷卻轉(zhuǎn)子鐵芯及繞組部件；同時，在整流盤離心力和科氏力作用下，一部分空氣由整流盤右側(cè)口進入定子機座內(nèi)，最終進入定轉(zhuǎn)子氣隙中，經(jīng)出風口流出。

圖3 方案二的通風風路圖

2.3 溫度場特性比對分析

無刷勵磁機內(nèi)部絕緣材料工作溫度不超過130 ℃，二極管工作溫度不超過110 ℃。根據(jù)經(jīng)驗可知，二極管發(fā)熱的可能性極小，可忽略。2個方案勵磁機內(nèi)最高溫度均未出現(xiàn)超溫情況，見表3。從溫度場分布可知，方案一的風路布置方式會直接導致勵磁機內(nèi)部溫度分布的最大差值為10 ℃，雖然該方案冷卻效果能滿足安全要求，但是冷卻介質(zhì)在勵磁機內(nèi)部的循環(huán)流動性較差。

表3 勵磁機內(nèi)部溫度臨界值分布

由圖4～圖5可知，勵磁機內(nèi)最高溫度為116 ℃，位于端壓圈附近的端部轉(zhuǎn)子邊段鐵心中；轉(zhuǎn)子線棒最高溫度達112℃，位于遠離整流盤側(cè)的轉(zhuǎn)子邊段鐵心位置轉(zhuǎn)子線棒。總體來說，計算域溫度呈現(xiàn)入口側(cè)溫度低、出口側(cè)溫度高的溫度分布特點。方案一入出口風路的布置方式導致定子部件溫度分布左右不均勻，遠離整流盤側(cè)的部件溫升較大。

圖4 極角10°及170°溫度分布云圖

圖5 轉(zhuǎn)子鐵心及線棒溫度分布云圖

由圖6～圖7可知，方案二中整流盤上方的外罩與機座間溫度較高（88 ℃～91 ℃）。2個旋轉(zhuǎn)體中間腔體內(nèi)空氣溫升較高，大部分空氣區(qū)域溫度為98 ℃～106 ℃，也進一步證明了該方案大部分流體參與了內(nèi)部冷卻，且冷卻效果較好。

圖6 極角10°與84°截面位置溫度分布云圖

圖7 勵磁機內(nèi)空氣區(qū)溫度分布云圖

3 結(jié)語

在通風效果方面，方案一入口冷卻空氣體積流量q為0.044 00 m/s，方案二入口冷卻空氣體積流量q為0.326 52 m/s，從進風空氣量來說，方案二的空氣量約為方案一的10倍，方案二的通風效果更好。

在溫度場方面，方案一內(nèi)勵磁機內(nèi)最高溫度為116 ℃，方案二內(nèi)勵磁機內(nèi)最高溫度為112 ℃，均不超溫，但是方案一呈現(xiàn)兩側(cè)溫度分布極其不均勻的特點。方案二的整流盤空氣區(qū)溫度為98 ℃～106 ℃，非常接近許用值（110 ℃），應進一步改變冷卻空氣入出口位置及個數(shù)，從而使整流盤區(qū)空氣順利出流，進而降低二極管附近空氣的溫度。