水冷永磁防爆電機(jī)十字形肋片的優(yōu)化設(shè)計(jì)

呂 品, 王浩銘, 李明軍, 程魯帥, 王凱旋, 翟悅琳

(黑龍江科技大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

永磁防爆電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量,由于煤礦處于環(huán)境多水,較潮濕,多粉塵的特殊工作環(huán)境,且永磁防爆電機(jī)采用隔爆外殼把可能產(chǎn)生火花、電弧和危險(xiǎn)溫度的電氣部分與周圍的爆炸性氣體混合物隔開,因此如何優(yōu)化永磁防爆電機(jī)的冷卻結(jié)構(gòu)成為設(shè)計(jì)永磁防爆電機(jī)的一道關(guān)卡。

電機(jī)溫升計(jì)算方法有簡(jiǎn)化公式法、熱網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)值計(jì)算方法[1],王曉遠(yuǎn)等[2-5]針對(duì)永磁電機(jī)建立了軸向、周向和螺旋型水冷結(jié)構(gòu),從流速、壓差等多個(gè)方面對(duì)比分析了三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn),結(jié)合成本與冷卻效果,最終選擇最佳水路結(jié)構(gòu)。王淑旺等[6]建立永磁同步電機(jī)三維模型,探究了水道數(shù)與最高溫度和壓力之間的關(guān)系。路玲等[7]針對(duì)電機(jī)水道軸向?qū)挾群椭芟驅(qū)挾缺鹊牟煌?對(duì)于水道回流現(xiàn)象有改善作用。李翠萍等[8]針對(duì)水冷電機(jī),分析了不同冷卻水流速對(duì)電機(jī)溫升的影響。王雪斌等[9-10]分析了礦用永磁直驅(qū)電機(jī)軸向”Z” 字形和周向螺旋形水冷結(jié)構(gòu),得到了不同水冷結(jié)構(gòu)水速矢量分布圖。蘭志勇等[11]提出一種新型水路結(jié)構(gòu),即定子開槽并嵌入水管的冷卻結(jié)構(gòu)探究其對(duì)電機(jī)溫度的影響。武岳等[12]針對(duì)雙轉(zhuǎn)子電機(jī)設(shè)計(jì)了兩種不同的水冷結(jié)構(gòu),指出槽內(nèi)內(nèi)外循環(huán)散熱效果好。王曉遠(yuǎn)等[13-14]對(duì)螺旋水路長(zhǎng)方形水道相同進(jìn)水面積的條件下,分析了水道長(zhǎng)寬比對(duì)電機(jī)散熱能力的影響,得到最優(yōu)長(zhǎng)寬比尺寸結(jié)構(gòu)。郝嘉欣等[15-16]設(shè)計(jì)了流道擾流片,得出了擾流片與冷卻液流向的最優(yōu)夾角與擾流片間行間距的最優(yōu)解。吳柏禧等[17]考慮水道圓角半徑,對(duì)不同的水道圓角半徑進(jìn)行仿真,得到圓角半徑對(duì)水道壓降的影響。

以上文獻(xiàn)研究為永磁水冷電機(jī)內(nèi)常規(guī)水冷方式的流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)的計(jì)算奠定了一定的基礎(chǔ)。但水冷永磁防爆電機(jī)肋片結(jié)構(gòu)下流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)結(jié)合的研究成果較少,因此提出十字形肋片結(jié)構(gòu)種對(duì)流體流動(dòng)與傳熱相結(jié)合的永磁水冷防爆電機(jī)散熱的影響具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。與以往研究不同的是,文中采用導(dǎo)熱散熱原理,設(shè)計(jì)探討十字形肋片結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)溫度分布的影響,采用有限體積法對(duì)一臺(tái)礦用永磁防爆電動(dòng)機(jī)的流固耦合模型進(jìn)行數(shù)值分析。

1 電機(jī)模型

1.1 數(shù)學(xué)模型

仿真中考慮的熱源[18]有基本銅耗和基本鐵耗。

基本銅耗為

Pcu=∑Pi=∑Ii2Ri,

(1)

式中:Pcu——總銅耗值;

Pi——繞組i的銅耗值;

Ii——繞組i的電流;

Ri——繞組i的電阻。

基本鐵耗為

(2)

式中:Rx——電阻;

Ex——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

(3)

(4)

將式(3)(4)代入式(2)中得:

(5)

由于Φxm=B2xh,代入式(5)得:

整個(gè)渦流損耗為

式中:P1.0/50——當(dāng)B=1.0 T、f=50 Hz時(shí),單位質(zhì)量硅鋼片的鐵耗;

B——定子鐵心磁感應(yīng)強(qiáng)度;

f——電樞磁場(chǎng)的交變頻率;

PFe——整個(gè)定子鐵心總鐵耗;

Ka——經(jīng)驗(yàn)系數(shù),根據(jù)電機(jī)的容量不同,其值可從1.5～2.0之間選取;

mFe——鐵心的質(zhì)量。

1.2 電機(jī)模型及仿真設(shè)置

所用電機(jī)為永磁水冷防爆電機(jī),其采用機(jī)殼水冷方式結(jié)構(gòu),采用Z型水道,電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)電機(jī)參數(shù)建立電機(jī)的三維模型如圖1所示。由于電機(jī)是礦用電機(jī),電機(jī)內(nèi)部與外界空氣隔絕。

圖1 電機(jī)三維模型Fig. 1 3D model of motor

文中三個(gè)基本假設(shè)為:一是流體為不可壓縮流體;二是熱源密度在電機(jī)各個(gè)部件中均勻分布;三是忽略鐵心疊片之間的接觸熱阻,認(rèn)為電機(jī)各部分絕緣良好。

1.3 網(wǎng)格劃分與邊界條件

利用有限體積法計(jì)算電機(jī)的溫度場(chǎng)和流體場(chǎng)需要將電機(jī)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。文中采用多面體網(wǎng)格。將網(wǎng)格結(jié)果導(dǎo)入Fluent軟件內(nèi),對(duì)其進(jìn)行熱仿真計(jì)算。

根據(jù)電機(jī)額定狀態(tài)的運(yùn)行條件,列出邊界條件如下:與空氣接觸的固體表面均為無(wú)滑移邊界條件;電機(jī)運(yùn)行環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力,環(huán)境溫度設(shè)置為300 K;外部空氣初始條件為靜止空氣,無(wú)自然流速。

1.4 熱生成率計(jì)算

基于Maxwell對(duì)電磁損耗進(jìn)行仿真,同時(shí)將計(jì)算出損耗轉(zhuǎn)化為單位體積的熱生成率,電機(jī)各個(gè)部分的熱生成率,如表2所示。

表2 永磁水冷防爆電機(jī)各部分損耗與熱生成率

熱生成率計(jì)算公式[19]為

式中:P——損耗;

V——體積。

2 仿真與結(jié)果分析

2.1 原始結(jié)構(gòu)

由于該電機(jī)是永磁水冷防爆電機(jī),采用軸向”Z”字形水路結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是單條水路軸向直走,水路之間180°轉(zhuǎn)折,首尾依次連接,進(jìn)出水口被一長(zhǎng)隔水臺(tái)分隔在兩邊[20]。水路如圖2所示。

圖2 水路結(jié)構(gòu)Fig. 2 Waterway structure

2.2 十字形肋片的參數(shù)優(yōu)化

原始模型的溫度分布如圖3所示。從圖3可以發(fā)現(xiàn),電機(jī)在原始結(jié)構(gòu)下的溫升情況,其中定子最高溫109.38 ℃,繞組最高溫108.99 ℃,永磁體最高溫110.73 ℃,轉(zhuǎn)子最高溫110.73 ℃十字形肋片的不同尺寸參數(shù)對(duì)其散熱具有不同的影響,比如橫肋的高度,數(shù)量等。針對(duì)十字形肋片橫肋這兩個(gè)方面的尺寸參數(shù),分別建立不同的三維模型。為了得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果,文中采用控制變量法,單水道為上半徑為480 mm,下半徑為435 mm的扇形。十字形肋片為橫肋長(zhǎng)12 mm,厚3 mm,豎肋厚3 mm的軸對(duì)稱十字形肋片。在單一水道里橫排4個(gè),間距200 mm,豎排3個(gè),間距22.53 mm。

圖3 電機(jī)原始模型各部分溫度分布Fig. 3 Temperature distribution of each part of original motor model

2.3 十字形肋片橫肋高度優(yōu)化

橫肋的高度對(duì)其冷卻效果是具有影響的,選取半徑 11.25 mm和33.75 mm這2個(gè)逐漸增大的高度進(jìn)行CFD仿真計(jì)算電機(jī)溫度分布如圖4和5所示。

圖4 不同橫肋高度下各部分的溫度分布Fig. 4 Temperature distribution of each part under different transverse rib heights

通過(guò)電機(jī)各部分的最高溫度及冷卻水進(jìn)出口壓降對(duì)比分析,得到橫肋片高度的不同對(duì)其冷卻性能的影響。不同橫肋高度下進(jìn)出口冷卻液壓降如圖6所示。不同橫肋高度下電機(jī)各部分溫度如表3所示。

表3 不同橫肋高度下電機(jī)各部分溫度

由圖4可以看出,在十字形肋片橫肋處于距離水道下半徑11.25、22.5和33.75 mm的情況下,不同橫肋高度的電機(jī)溫度都比無(wú)十字形肋片電機(jī)溫度低。且隨著橫肋距離水道下半徑高度的升高,電機(jī)的溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。同時(shí)橫肋高度處于11.25與33.75 mm時(shí),電機(jī)溫度幾乎相同。

圖5 不同橫肋高度下各部分的溫度對(duì)比Fig. 5 Temperature comparison of different parts under different transverse rib heights

由圖5可以看出,在十字形肋片橫肋處于距離水道下半徑11.25、22.5和33.75 mm的情況下,不同橫肋高度的電機(jī)溫度都比無(wú)十字形肋片電機(jī)溫度低。且隨著橫肋距離水道下半徑高度的升高,電機(jī)的溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。同時(shí)橫肋高度處于11.25與33.75 mm時(shí),電機(jī)溫度幾乎相同。

由圖6可見,在十字形肋片橫肋處于距離水道下半徑11.25、22.5和33.75 mm的情況下,不同橫肋高度電機(jī)的冷卻液進(jìn)出口壓降都比無(wú)十字形肋片電機(jī)冷卻液進(jìn)出口壓降高。且隨著橫肋距離水道下半徑高度的升高,電機(jī)冷卻液的壓降呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。同時(shí)橫肋高度處于11.25與33.75 mm時(shí),電機(jī)冷卻液的壓降幾乎相同。

圖6 不同橫肋高度下進(jìn)出口冷卻液壓降Fig. 6 Cooling hydraulic drop diagram of inlet and outlet under different transverse rib heights

隨著十字形肋片橫肋高度的增加,橫肋對(duì)冷卻液造成的流動(dòng)阻力在先增大后減小。較大的流阻對(duì)電機(jī)整體冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)生較大的影響,從而對(duì)電機(jī)的溫升產(chǎn)生負(fù)面影響。綜合考慮,十字形肋片橫肋高度選擇為11.25 mm時(shí),對(duì)電機(jī)的冷卻效果最佳。

2.4 十字形肋片橫肋數(shù)量?jī)?yōu)化

橫肋的數(shù)量對(duì)其冷卻效果是具有影響的。選取 1、2和3個(gè)橫肋這3個(gè)逐漸增多的橫肋數(shù)量進(jìn)行熱仿真計(jì)算,結(jié)果如圖7和8所示。通過(guò)對(duì)電機(jī)各部分的最高溫度及冷卻水進(jìn)出口壓降的對(duì)比分析,得到橫肋片數(shù)量的不同對(duì)其冷卻性能的影響,結(jié)果如圖9所示。由圖8可見,在十字形肋片橫肋數(shù)量處于1、2和3個(gè)的情況下,不同橫肋數(shù)量的電機(jī)溫度都比無(wú)十字形肋片電機(jī)溫度低。且隨著橫肋數(shù)量的增多,電機(jī)的溫度呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。由圖9可見,在十字形肋片橫肋處于數(shù)量為1、2和3個(gè)的情況下,不同橫肋數(shù)量電機(jī)的冷卻液進(jìn)出口壓降都比無(wú)十字形肋片電機(jī)冷卻液進(jìn)出口壓降高。且隨著橫肋數(shù)量的增多,電機(jī)冷卻液的壓降呈現(xiàn)先上升后下降再趨于平緩的趨勢(shì)。同時(shí)橫肋數(shù)量為2個(gè)和3個(gè)時(shí),電機(jī)冷卻液的壓降幾乎相同。

隨著十字形肋片數(shù)量增加,橫肋對(duì)冷卻液造成的流動(dòng)阻力在先增大后減小再趨于平緩。較大的流阻對(duì)電機(jī)整體冷卻系統(tǒng)的產(chǎn)生較大的影響,從而對(duì)電機(jī)的溫升產(chǎn)生負(fù)面影響。綜合考慮,十字形肋片橫肋的數(shù)量為3對(duì)電機(jī)整體冷卻效果最佳。

圖7 不同橫肋數(shù)量各部分溫度分布Fig. 7 Temperature distribution of different parts with different number of transverse ribs

表4 不同數(shù)量橫肋下電機(jī)各部分溫度

圖8 不同橫肋數(shù)量各部分溫度對(duì)比Fig. 8 Temperature comparison of different parts with different number of transverse ribs

圖9 不同橫肋數(shù)量下進(jìn)出口冷卻液壓降Fig. 9 Cooling hydraulic drop of inlet and outlet under different number of transverse ribs

3 結(jié) 論

以一臺(tái)永磁水冷防爆電機(jī)為例,進(jìn)行了流固耦合仿真,得到了水道十字形肋片橫肋的高度和數(shù)量電機(jī)各部分溫升分布。

(1)十字形肋片橫肋處于距離水道下半11.25、22.5和33.75 mm下,電機(jī)的溫度和冷卻液進(jìn)出口壓降隨著橫肋距離水道下半徑高度的升高,呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)。橫肋高度處于11.25 mm與33.75 mm時(shí),電機(jī)溫度與冷卻液進(jìn)出口壓降幾乎相同。

(2)十字型形片橫肋數(shù)量處于1、2和3個(gè)的情況下,電機(jī)的冷卻液進(jìn)出口壓力隨著橫肋數(shù)量的增多,呈現(xiàn)先上升后下降再趨于平緩的趨勢(shì)。橫肋數(shù)量為2和3個(gè)時(shí), 電機(jī)冷卻液的壓降幾乎相同。

但電機(jī)的溫度且隨著橫肋數(shù)量的增多,呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

(3)綜合考慮橫肋的高度與數(shù)量對(duì)電機(jī)溫升的影響,發(fā)現(xiàn)在橫肋數(shù)量為3時(shí),對(duì)電機(jī)的冷卻效果最佳。