高功率密度電機(jī)冷卻系統(tǒng)研究

高洪彪,歷銳

(1 哈爾濱電氣集團(tuán)先進(jìn)電機(jī)技術(shù)有限公司,黑龍江哈爾濱 150000;2 國(guó)家防爆電機(jī)工程技術(shù)研究中心,黑龍江佳木斯 154002)

0 引言

我國(guó)頁(yè)巖氣主要分布在偏遠(yuǎn)山區(qū),不僅埋藏深、巖石的抗張強(qiáng)度大,而且施工場(chǎng)地有限,所需開(kāi)采壓力、排量、時(shí)間均高于國(guó)外頁(yè)巖氣開(kāi)采的技術(shù)要求,對(duì)壓裂設(shè)備的單機(jī)功率、過(guò)載能力、自動(dòng)化水平及可靠性提出更高要求。

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展,我國(guó)對(duì)能源的需求不斷加大,加快新型能源頁(yè)巖氣的開(kāi)采進(jìn)程成為了當(dāng)務(wù)之急,但開(kāi)采頁(yè)巖氣的相關(guān)設(shè)備主要依賴(lài)國(guó)外進(jìn)口,為了打破這種受制于人的局面,我們需要對(duì)壓裂設(shè)備進(jìn)行自主生產(chǎn),其中核心的壓裂設(shè)備用高功率密度電機(jī)的研制成為了首先需要解決的問(wèn)題。

電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,其中包括了電磁場(chǎng)、流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)等多種物理場(chǎng)之間的相互影響和相互制約。一臺(tái)電機(jī)能否安全有效的運(yùn)行,其中通風(fēng)冷卻至關(guān)重要,它關(guān)系到電機(jī)的效率、運(yùn)行時(shí)間、穩(wěn)定性等諸多方面。如果電機(jī)內(nèi)部溫升過(guò)高將會(huì)導(dǎo)致絕緣出現(xiàn)分層、脫殼、老化等現(xiàn)象,從而導(dǎo)致絕緣的介電性能下降,進(jìn)而引發(fā)電機(jī)內(nèi)部的各種放電、短路故障,增加了電機(jī)發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn),縮短電機(jī)的使用壽命。另外,電機(jī)各部件由于溫度梯度不同而產(chǎn)生熱應(yīng)力,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件變形,極易引起噪聲、運(yùn)行故障和破壞。所以,電機(jī)熱量的產(chǎn)生和傳遞過(guò)程在電機(jī)設(shè)計(jì)中非常重要,對(duì)電機(jī)冷卻系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)溫升的控制,確保電機(jī)的可靠性,對(duì)于材料的利用率提高、成本的降低以及單機(jī)容量擴(kuò)大等都有重要的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

冷卻系統(tǒng)是電機(jī)的重要組成部分,由于電機(jī)的工作環(huán)境非常惡劣,長(zhǎng)期處于負(fù)載運(yùn)行狀態(tài),冷卻系統(tǒng)需將高功率密度電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量熱量換熱出去、而熱量直接影響電機(jī)的使用壽命。任何冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等方面的失誤,都可能會(huì)造成電機(jī)的燒毀而引起重大事故。

電機(jī)的冷卻系統(tǒng)要滿(mǎn)足電機(jī)在額定工況下長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)的散熱需求。由于高功率密度電機(jī)產(chǎn)品的特殊性,對(duì)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及散熱需求更加嚴(yán)苛。隨著電機(jī)的功率密度進(jìn)一步提升,對(duì)冷卻系統(tǒng)散熱能力要求不斷增大,為了滿(mǎn)足高功率密度電機(jī)的特殊使用工況,需要對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

下面將針對(duì)冷卻系統(tǒng)的研發(fā)過(guò)程、技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的闡述。

1 電機(jī)冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際工況需要,設(shè)計(jì)電機(jī)的功率為4500kW 4級(jí),額定轉(zhuǎn)速1300rpm,電機(jī)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,由端蓋、軸承裝置、定子、轉(zhuǎn)子及風(fēng)機(jī)組成。由于電機(jī)的功率密度要遠(yuǎn)高于普通電機(jī),因此需要冷卻系統(tǒng)將電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量進(jìn)行充分交換散出,以滿(mǎn)足控制電機(jī)溫升的目標(biāo)。根據(jù)實(shí)際工況的要求,電機(jī)的冷卻方式采用強(qiáng)迫通風(fēng)的散熱形式(IC06),因此必須對(duì)電機(jī)的冷卻風(fēng)路進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)以滿(mǎn)足設(shè)備使用工況的要求。這里我們優(yōu)化設(shè)計(jì)了兩種冷卻風(fēng)路:軸向風(fēng)路和徑向風(fēng)路。根據(jù)風(fēng)路的溫度場(chǎng)分析,發(fā)現(xiàn)徑向冷卻風(fēng)路的散熱效果要明顯好于軸向冷卻風(fēng)路,因此接下來(lái)我們對(duì)電機(jī)的徑向冷卻風(fēng)路進(jìn)行詳細(xì)介紹。

圖1 高功率密度電機(jī)外形圖

1.1 徑向冷卻風(fēng)路的優(yōu)化設(shè)計(jì)

普通的強(qiáng)迫通風(fēng)的散熱形式(IC06)一般采用電機(jī)的伸端或非軸伸端頂部設(shè)計(jì)有進(jìn)風(fēng)口或出風(fēng)口向電機(jī)內(nèi)部吹風(fēng)或吸風(fēng),來(lái)達(dá)到對(duì)電機(jī)的散熱或冷卻需求,但普通的強(qiáng)迫通風(fēng)的散熱形式(IC06),會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部伸端或非軸伸端存在較大的溫度梯度,影響電機(jī)的使用壽命。我們進(jìn)行冷卻風(fēng)路優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。冷卻風(fēng)路由電機(jī)的伸端和非軸伸端各兩個(gè)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入,依次經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)軸幅板—轉(zhuǎn)子鐵心徑向風(fēng)道—定子鐵心徑向風(fēng)道—機(jī)座頂板—獨(dú)立風(fēng)機(jī),電機(jī)中部設(shè)計(jì)的獨(dú)立冷卻風(fēng)機(jī)將電機(jī)內(nèi)部的熱風(fēng)吸到出風(fēng)口進(jìn)行排出,達(dá)到電機(jī)的散熱需求,這種冷卻風(fēng)路形式克服了普通的強(qiáng)迫通風(fēng)的散熱形式(IC06)會(huì)導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部存在較大的溫度梯度,影響電機(jī)使用壽命的問(wèn)題,而且冷卻效果要遠(yuǎn)優(yōu)于普通的強(qiáng)迫通風(fēng)的散熱風(fēng)路結(jié)構(gòu)。

圖2 冷卻風(fēng)路示意圖

2 電機(jī)冷卻系統(tǒng)的有限元分析

2.1 流體介質(zhì)假設(shè)

根據(jù)流體介質(zhì)的特性和對(duì)冷卻風(fēng)路流場(chǎng)的分析,對(duì)流體介質(zhì)作如下假設(shè)。

(1)因?yàn)殡姍C(jī)冷卻風(fēng)路內(nèi)空氣的雷諾數(shù)相對(duì)很大,流體的流動(dòng)特性屬于湍流,應(yīng)采用湍流計(jì)算模型對(duì)電機(jī)外部流體場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

(2)機(jī)座表面的空氣流速小,遠(yuǎn)小于聲速,即馬赫數(shù)較小,故把流體視為不可壓縮的粘性流體處理。

(3)在對(duì)流體研究的過(guò)程中,只研究流體的穩(wěn)態(tài)流動(dòng),也就是定常流動(dòng),故在求解方程中不包含有時(shí)間項(xiàng);忽略流動(dòng)空氣的重力及浮力對(duì)流體流動(dòng)的影響。

2.2 流場(chǎng)、壓力場(chǎng)及溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

設(shè)置好初始邊界條件后,為了驗(yàn)證這種冷卻風(fēng)路的散熱效果,這里我們借助有限元軟件對(duì)冷卻風(fēng)路的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)情況進(jìn)行計(jì)算分析。冷卻風(fēng)路有限元分析模型如圖3所示。電機(jī)絕緣系統(tǒng)采用H級(jí)絕緣,H級(jí)考核溫升,環(huán)境溫度40℃,從圖4流場(chǎng)云圖可以看出電機(jī)內(nèi)部流線(xiàn)分別較為均勻,說(shuō)明流場(chǎng)設(shè)計(jì)合理。從圖5壓力場(chǎng)云圖可以看出電機(jī)進(jìn)出風(fēng)口的壓損為3.2kPa,流量為1.93m3/s,獨(dú)立風(fēng)機(jī)可以滿(mǎn)足要求。從圖6溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果來(lái)看,如表1和表2所示,電機(jī)的平均溫度130℃(90K)在定子繞組端部,最高溫度152.2℃(112.2K)在定子繞組,這種形式的冷卻風(fēng)路使電機(jī)內(nèi)部的溫度梯度進(jìn)一步降低,熱量分布更加合理,有效的延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命,同時(shí)滿(mǎn)足電機(jī)溫升設(shè)計(jì)要求。

表1 最高溫度

表2 平均溫度

圖3 轉(zhuǎn)軸模型

圖4 流場(chǎng)云圖

圖5 壓力場(chǎng)云圖

圖6 溫度場(chǎng)云圖

2.3 有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

為了驗(yàn)證電機(jī)冷卻風(fēng)路仿真分析結(jié)果,我們對(duì)試驗(yàn)用樣機(jī)產(chǎn)品的風(fēng)路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了溫度場(chǎng)分析,并與溫升試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如圖7所示。

圖7 有限元分析結(jié)果

從圖7分析結(jié)果可以看出溫度場(chǎng)分析最高溫度200.4℃(溫升160.4K),試驗(yàn)樣機(jī)產(chǎn)品的溫升結(jié)果為155.5K,兩者相差5K左右,從而證明我們的有限元分析方法是正確的可靠的。

3 結(jié)語(yǔ)

本文基于有限元分析方法,采用有限元軟件平臺(tái)對(duì)高功率密度電機(jī)在特殊工況下冷卻系統(tǒng)散熱效果進(jìn)行了分析,通過(guò)分析得出如下結(jié)論。

(1)建立了基于有限元的流場(chǎng)、壓力場(chǎng)及溫度場(chǎng)仿真分析方法,突破了復(fù)雜模型的建模和網(wǎng)格劃分技術(shù),解決了邊界條件設(shè)置等技術(shù)難題,并通過(guò)與已批量制造產(chǎn)品的試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,印證了該方法的正確性,能夠真實(shí)反映電機(jī)溫度場(chǎng)分布情況。

(2)從有限元軟件分析結(jié)果可知,優(yōu)化后的電機(jī)內(nèi)部流線(xiàn)分別較為均勻,說(shuō)明流場(chǎng)設(shè)計(jì)合理。壓力場(chǎng)云結(jié)果可以看出電機(jī)進(jìn)出風(fēng)口的壓損為3.2kPa,流量為1.93m3/s,獨(dú)立風(fēng)機(jī)可以滿(mǎn)足要求。溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果來(lái)看,電機(jī)的平均溫度130℃(90K)在定子繞組端部,最高溫度152.2℃(112.2K)在定子繞組,這種形式的冷卻風(fēng)路使電機(jī)內(nèi)部的溫度梯度進(jìn)一步降低,熱量分布更加合理,有效的延長(zhǎng)了電機(jī)的使用壽命,同時(shí)滿(mǎn)足電機(jī)溫升設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化后的冷卻系統(tǒng)冷卻效果明顯要更優(yōu)于普通強(qiáng)迫通風(fēng)結(jié)構(gòu)的散熱方式。這種冷卻系統(tǒng)為高功率密度電機(jī)快速開(kāi)發(fā)及應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支撐。