電動滾筒用永磁外轉(zhuǎn)子電機水冷系統(tǒng)的設(shè)計與分析

馬 鑫, 鄭慶華, 周 挺, 韓雪巖

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 國家稀土永磁電機工程技術(shù)研究中心,遼寧 沈陽 110870;2.江西工埠機械有限責(zé)任公司,江西 樟樹 331200)

0 引 言

隨著“雙碳”戰(zhàn)略政策的不斷推進(jìn),各個行業(yè)的產(chǎn)品也向高效化、輕量化和小型化發(fā)展。電動滾筒把永磁外轉(zhuǎn)子電機和滾筒完美地結(jié)合在一起,替代原有的電機、減速機、滾筒的傳統(tǒng)傳動模式,以及后續(xù)出現(xiàn)的直驅(qū)電機、滾筒的直驅(qū)傳動模式。電動滾筒具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、維護(hù)成本低的特點。但是,隨著產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的緊湊性及導(dǎo)熱形式的改變,給電機繞組溫升帶來了更大的壓力。傳統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)子電機主要的散熱面積在機殼外側(cè),通過機殼散熱;電動滾筒的散熱面積在轉(zhuǎn)軸內(nèi)側(cè),相對內(nèi)轉(zhuǎn)子電機其散熱面積減小。因此,設(shè)計一套高效的冷卻系統(tǒng)對于永磁電動滾筒的小型化和輕量化有著重要意義[1-3]。

目前永磁電動滾筒的冷卻系統(tǒng)主要采用空心軸自然冷卻、空心軸風(fēng)冷以及轉(zhuǎn)軸水冷等方式?？招妮S自然冷卻效果較差,且電機體積較大;空心軸風(fēng)冷為追求較大的散熱面積增加了軸的內(nèi)徑,導(dǎo)致材料浪費以及軸承成本增加。文獻(xiàn)[4]采用自然冷卻外轉(zhuǎn)子永磁電機,運用熱網(wǎng)絡(luò)法對其進(jìn)行了溫升計算。文獻(xiàn)[5]介紹了外轉(zhuǎn)子永磁電機的電磁設(shè)計以及相關(guān)熱源計算方式并設(shè)計了一種分流式水路冷卻系統(tǒng),對其進(jìn)行仿真計算。文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一臺空心軸空冷外轉(zhuǎn)子永磁電機,采用流固耦合進(jìn)行仿真計算。文獻(xiàn)[7]針對50 kW軸向永磁電機設(shè)計了槽內(nèi)循環(huán)水冷結(jié)構(gòu),分析了該結(jié)構(gòu)下流速、水壓、散熱面積對冷卻效果的影響。文獻(xiàn)[8]在高速內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機定子鐵心內(nèi)開設(shè)水道,分析了水道數(shù)量對電磁參數(shù)和溫升的影響。

在以上研究成果的基礎(chǔ)上,本文提出一種適用于大功率永磁電動滾筒的水冷冷卻系統(tǒng),用于解決大功率電動滾筒溫升過高、體積過大、質(zhì)量過大等問題。首先,建立滾筒溫度場的求解模型并進(jìn)行計算;其次,對比分析三種不同流道構(gòu)型的散熱面積、散熱系數(shù)、所需水壓的不同以及對溫升的影響;最后, 基于710 kW永磁電動滾筒設(shè)計一種軸向水冷系統(tǒng),并分析水冷系統(tǒng)參數(shù)對溫升的影響,完成溫升試驗,驗證相關(guān)設(shè)計技術(shù)的正確性,對解決電動滾筒過熱問題具有重要意義。

1 電動滾筒外轉(zhuǎn)子電機的結(jié)構(gòu)

以710 kW永磁電動滾筒為研究對象,提出了一種如圖 1 所示的大功率永磁電動滾筒冷卻結(jié)構(gòu)。滾筒充當(dāng)電機的轉(zhuǎn)子,電機定子在滾筒內(nèi)部。水冷系統(tǒng)就由內(nèi)、外冷卻水套、保持架以及軸護(hù)套構(gòu)成。首先,定子鐵心與外水套完美貼合,確保較好的導(dǎo)熱效果;其次,保持架承載了定子自身的重力以及工作過程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩,提高了整體的機械強度;最后采用軸套減小軸的尺寸,避免材料浪費。電動滾筒的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 電動滾筒參數(shù)

2 電動滾筒外轉(zhuǎn)子永磁電機模型建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)能量守恒定律和傳熱學(xué)理論,在直角坐標(biāo)系的求解域內(nèi),三維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)及其邊界條件可表示為[9-10]:

(1)

式中:T為物體溫度;kx、ky、kz分別為x、y、z方向上的導(dǎo)熱系數(shù);q為熱源密度;ρ為物質(zhì)密度;c為物質(zhì)比熱容;T0為邊界S1上的溫度;n為邊界法向量;q0為邊界面S2的熱流密度;k為導(dǎo)熱系數(shù);α為散熱系數(shù);Te為周圍介質(zhì)溫度。

流體處于穩(wěn)定流動狀態(tài)時的三維流體通用控制方程可表示為[11]

(2)

式中:u、v、w分別為速度在x、y、z方向上的分量;φ為通用變量;Γ為擴(kuò)展系數(shù);S為源項。

2.2 模型建立

基于Solid Works軟件建立三維電機模型圖,為了網(wǎng)格剖分方便,對電機三維模型進(jìn)行如下簡化:

(1) 將削角后的永磁體簡化處理建模,永磁體建成未削角形式;

(2) 定子槽口位置的槽楔部分簡化處理;

(3) 繞組等效成左、右均勻分布的矩形塊,簡化后的橫截面如圖2所示;

(4) 對滾筒和端蓋進(jìn)行了一定的簡化處理,如圖3～圖4所示。

表2 給出了電動滾筒各部分材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

表2 電機各部分材料的導(dǎo)熱系數(shù) W/m/K

3 水冷系統(tǒng)的設(shè)計與分析

3.1 水冷系統(tǒng)的流道構(gòu)型

水冷結(jié)構(gòu)采用的流道構(gòu)型一般分為軸向式、圓周式、螺旋式三種,如圖5所示。三種流通的參數(shù)及溫升見表3。

表3 三種流道的參數(shù)及溫升

在水流流速相同的情況下,三種流道構(gòu)型表明圓周式和軸向式流道的傳熱接觸面積差別不大,略高于螺旋式流道。三種流道構(gòu)型中軸向式流道的散熱系數(shù)最高,圓周式流道次之,螺旋式流道最小。但是,從所需的水壓來看,軸向式流道的流阻最大,流路損耗大,相反螺旋式流道的流阻最小。從繞組溫升看,軸向式流道略好于圓周式流道,圓周式流道略好于螺旋式流道。

螺旋式流道由于設(shè)計簡單,制造容易,目前小功率電機一般采用螺旋式流道。但是,對于大功率電機采用軸向式流道應(yīng)是最好的選擇。本文采用的軸向式流道的展開圖如圖6所示,水的流速分布如圖7所示。

3.2 流道外壁直徑對溫升的影響

流道外壁直徑對溫升有著至關(guān)重要的影響,直徑的大小直接決定了整體散熱面積的大小。流道外壁直徑與溫升的關(guān)系如圖8所示,如圖8可知,流道外壁直徑越大散熱面積越大,導(dǎo)致滾筒的溫升越低。但是,此尺寸受限于電磁參數(shù)的設(shè)計,若直徑越大電磁設(shè)計中定子內(nèi)徑就越小,則會占用定子槽內(nèi)面積,增加電機銅耗,導(dǎo)致熱源增加,這反而會導(dǎo)致散熱下降。因此,外壁直徑在滿足電磁參數(shù)基礎(chǔ)上越大越好。

3.3 流道外壁的厚度對溫升的影響

水道外壁的厚度決定了熱傳導(dǎo)的快慢,不同外壁厚度下電機的溫升情況如表4所示。表4計算了相同流道面積、相同流道數(shù)下,不同外壁厚度對滾筒溫升的影響情況。從計算結(jié)果可以看出每增加10 mm厚度,溫升增加1 K左右。因此,外壁厚度對溫升的影響可以忽略不計。

表4 不同外壁厚度下電機的溫升 K

3.4 流道高度對溫升的影響

流道個數(shù)不變,增加流道高度,流道高度的增加帶來流道面積的增加,在考慮流量不變和水壓不變的情況下,溫升與流道高度的關(guān)系如表5所示。

表5 不同流道高度下電機的溫升

當(dāng)流量不變時,滾筒溫升幾乎沒有任何變化,說明流量是決定溫升的主要參數(shù)。當(dāng)水壓不變時,流道面積增大,流阻變小,流量增加,溫升隨著流量的增加而降低,但是降低趨勢變緩,當(dāng)流量到達(dá)一定數(shù)值時,幾乎不會影響滾筒的溫升。

3.5 流道數(shù)量對溫升的影響

逐步增加流道的個數(shù),保持其他參數(shù)和流量不變,滾筒溫升和相應(yīng)水壓的變化趨勢如圖9所示。

由圖9可以看出,在流道數(shù)量較少時,滾筒的溫升較高,但隨著水道數(shù)量的增加溫升迅速降低,當(dāng)流道數(shù)量增加到一定時,滾筒溫升基本不發(fā)生變化,趨于穩(wěn)定。但隨著水道數(shù)量的增加,水壓迅速增大,致使流道損耗變大。因此,流道數(shù)量在18～24個是最優(yōu)的選擇。

3.6 流量對滾筒溫升的影響

流量是決定溫升大小的一個重要參數(shù),其影響如圖10所示。圖10為不同流量下的滾筒溫升情況。圖11為滾筒的溫度分布情況。由圖10和圖11可以看出,水流量高于3.5 m3/h時,滾筒溫升基本控制在75 K左右,因此,在不改變其他冷卻參數(shù)的情況下,水流量達(dá)到一定數(shù)值后將不會對溫升起到影響。

圖1 電動滾筒的總體結(jié)構(gòu)

圖2 簡化后的橫截面圖

圖3 水冷路徑示意圖

圖4 定子和轉(zhuǎn)子部分示意圖

圖5 水冷系統(tǒng)的流道構(gòu)型

圖6 流道展開圖

圖7 水的流速分布

圖8 流道外壁直徑與溫升的關(guān)系

圖9 流道個數(shù)對溫升和水壓的影響

圖10 流量對滾筒溫升的影響

圖11 滾筒溫度分布

4 電動滾筒的溫度仿真結(jié)果

針對上述分析結(jié)果,本文采用軸向式流道構(gòu)型下的水冷結(jié)構(gòu),其主要參數(shù)如表6所示。

表6 電動滾筒的冷卻結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖12為滾筒軸向與徑向溫度分布如圖,通過圖12滾筒軸向和徑向溫度分布可以看出發(fā)熱嚴(yán)重的地方集中在繞組的端部,溫度到達(dá)102 ℃,繞組平均溫升在75.5 K左右。圖13為電動滾筒主要部件的溫度分布情況。

圖12 滾筒軸向與徑向溫度分布

圖13 滾筒主要部件的溫度分布

此外,仿真時考慮滾筒外部的包膠,滾筒的溫度分布呈現(xiàn)中間高兩邊低的趨勢,其最高溫度到達(dá)100 ℃左右,兩端的溫度在70 ℃左右。

5 樣機與試驗

為了驗證前文設(shè)計分析的準(zhǔn)確性,將本文設(shè)計的水冷系統(tǒng)應(yīng)用到710 kW的電動滾筒上,樣機如圖14所示。

圖14 樣機實物圖

外轉(zhuǎn)子電動滾筒的轉(zhuǎn)軸固定不動,轉(zhuǎn)矩不能通過轉(zhuǎn)軸輸出,而通過滾筒直接輸出。因此,傳統(tǒng)的試驗平臺中,沒有與其適合連接的負(fù)載機。因此,本文搭建了如圖15的試驗平臺,將電動滾筒固定在固定平臺上,將鋼絲繩的一端與滾筒固定連接,鋼絲繩穿過平臺頂端的定滑輪后,與另一端的砝碼相連接。滾筒的額定轉(zhuǎn)矩為88 627 N·m,折算到砝碼的質(zhì)量為14 500 kg,滾筒周期性正反轉(zhuǎn)提降砝碼完成溫升試驗。

圖15 樣機溫升試驗平臺

電動滾筒制造時將熱電偶(PT100)埋置在繞組端部和繞組中部,試驗時保證流量2.5 m3/h不變,每隔10 min記下各個部位的溫度值,直至達(dá)到熱平衡。

圖16為仿真計算出電動滾筒整體的溫度分布情況圖。表7記錄了溫度穩(wěn)定時滾筒各個部位的溫度值以及對應(yīng)的仿真值。圖17為試驗所記繞組端部溫度與繞組端部溫度仿真結(jié)果的對比。

表7 電機試驗值與仿真值對比

圖16 整機溫度分布

圖17 繞組端部試驗溫度與仿真溫度對比

通過數(shù)據(jù)可以看出試驗值小于仿真值,繞組溫度和平均溫升的誤差在5%～8%,電機其他部位的溫度比較接近,可以滿足實際工程的要求。

6 結(jié) 語

本文針對皮帶運輸用永磁外轉(zhuǎn)子電動滾筒散熱能力弱、轉(zhuǎn)矩密度低、繞組溫升過高等問題,提出了一種外轉(zhuǎn)子電動滾筒冷卻系統(tǒng),并將其應(yīng)用到710 kW的電動滾筒上,通過試驗測試,得到以下結(jié)論:

(1) 采用軸向流道構(gòu)型的新型水冷結(jié)構(gòu)在結(jié)構(gòu)、工藝、冷卻效果上適合大功率電動滾筒。

(2) 通過冷卻系統(tǒng)參數(shù)對溫升的影響可知,水流量和流道數(shù)量是影響外轉(zhuǎn)子電動滾動溫升的主要參數(shù)。為達(dá)到高效的冷卻系統(tǒng)其流量應(yīng)控制在2～3 m3/h,流道個數(shù)應(yīng)控制在18～25個。

(3) 經(jīng)過對電動滾筒外轉(zhuǎn)子電機模型的簡化與求解,并與試驗數(shù)據(jù)對比,可知仿真的計算結(jié)果是正確的,誤差可以控制在8%以內(nèi),可以用于工程實踐指導(dǎo)。