某無刷勵磁機通風冷卻數值模擬研究

路義萍，　張東學，　孫博，　王佐民，　李夢啟

(1.哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

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某無刷勵磁機通風冷卻數值模擬研究

路義萍1，張東學1，孫博1，王佐民1，李夢啟2

(1.哈爾濱理工大學 機械動力工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.哈爾濱電氣動力裝備有限公司，黑龍江 哈爾濱 150040)

摘要:為了研究隱極同步電動機配套用無刷勵磁機的通風方案中冷卻空氣的流動路徑及冷卻特點，依據流體動力學原理理論，采用有限體積法，建立了某新型無刷勵磁機相對地面結構的1/2為物理模型，研究了無刷勵磁機通風冷卻方案的流動路徑、流場和溫度場，并給出了通風方案的冷卻特點及流場和溫度場的分布特點。計算結果表明，該勵磁機方案的最高溫度位置出現在靠近整流盤側的轉子線棒端部，絕緣均不超溫。與某電機研究所采用等效風路法所得該方案相同工況下計算值相比，該通風方案數值模擬進風量誤差為5.6%，為進一步優化該勵磁機冷卻風路系統提供了理論依據。

關鍵詞:無刷勵磁機；通風方案；數值模擬；有限體積法；熱流場

0引言

近年來我國西氣東輸一線和二線管道工程已建成并投入輸氣，95%以上天然氣通過長輸管線輸送到內地，沿管道需增壓，壓縮機由高速隱極同步電動機驅動，為長輸管道持續加壓。與隱極同步電動機配套的無刷勵磁機為機組的重要部分。無刷勵磁機不僅僅是實現能量轉換必不可少的部分，對隱極同步電動機機組的安全、高效率持續運行也尤為重要。無刷勵磁機的絕緣或者是整流盤上二極管工作環境溫度超過允許極限，都將影響勵磁機的壽命和機組的安全運行，機組研發過程中，勵磁機與主機部分的通風冷卻問題同等重要。因此，了解勵磁機內部的通風冷卻方式，對指導勵磁機的設計及運行必不可少。

近十幾年來，國內外學者一直重視對勵磁機的研究。例如，文獻[1]介紹了空冷系列汽輪發電機無刷勵磁機的設計理念、結構特色、關鍵工藝及投產應用情況，文獻[2]對大容量勵磁機離心式風扇的結構做了改進，文獻[3]介紹了100MW汽輪發電機及勵磁機通風系統的改進，文獻[4]對勵磁機的流場及溫度場進行了數值模擬和分析，文獻[5]對11相無刷勵磁機進行了額定工況及故障工況的仿真研究，文獻[6]對無刷勵磁機同步電動機異常振動進行了故障分析，文獻[7]對三相或多相無刷勵磁機及旋轉整流系統故障診斷進行了研究，文獻[8]給出了用非破壞性方法來檢測無刷勵磁機的整流盤故障，文獻[9]說明了旋轉無刷勵磁機到靜態無刷勵磁機的主要勵磁系統的改造過程。由于整流二極管處于高速旋轉的狀態，在實際運行中，二極管發生損壞的情況時有發生[10]。當勵磁機運行時，如果經常發生磁極線圈過熱燒損現象[11]，將嚴重威脅機組的安全穩定運行。目前，針對隱極電動機用無刷勵磁機的熱流場研究方法，與大型發電機、風力發電機、汽輪發電機的一樣，大多數采用有限元法[12-14]、熱網絡法[15-16]、有限體積法[17-18]等，這幾種方法在當今應用比較廣泛，文獻[19]中BOGLIETTI A等綜合分析了熱網絡法、有限元法、有限體積法在電機溫度場計算時的優缺點，但在國內外用實驗方法來解決這類問題的文獻較為少見。

本文研究的隱極同步電動機用無刷勵磁機屬于國外引進技術消化吸收預研產品，其通風方案中冷卻空氣的流動路徑及冷卻特點還處于探索階段。本文以計算流體動力學理論作為基礎，主要研究了出口位置在整流盤正對上方的方案，對其流場及溫度場進行了CFD數值計算，得到了流場和溫度場的模擬結果，并驗證了其準確性。

1物理模型

研究的無刷勵磁機轉軸由高強度合金鋼鍛件加工而成，轉軸上銑出鍵槽及通風槽。電樞鐵心是由高強度、抗疲勞的硅鋼片疊壓而成，兩端用壓圈固緊。電樞繞組由成型的線圈構成，絕緣股線繞制成線圈之后，電樞繞組端部用無緯帶綁扎環支撐和固定。該無刷勵磁機主要由定子、轉子、轉軸、雙側整流盤及機座構成，見圖1。定轉子沿軸向共分布6個風溝，風溝的寬度為10 mm，靠近旋轉整流盤側風溝標號為1，其他2～6見圖1。

1～6—定子風溝；7—機殼；8—機座；9—轉軸；10—雙側整流盤；11—機座環板；12—定子；13—轉子；14—二極管；15—軸套；16—絕緣墊板。圖1　計算域物理模型圖Fig.1　Computational domain of the physical model

在建模及計算的過程中考慮了如下幾點：1) 由于勵磁機通風結構的對稱性，故計算域選取整機沿軸的周向180°，即相對地面結構的1/2；2)用Solid works軟件建立材料物性不同的固體模型；3)將無刷勵磁機的流體區域置于旋轉坐標系和靜止坐標系中。這使得三維流場、溫度場計算結果更加準確可靠。

2數學模型及求解條件

2．1數學模型

通過計算得出入口處空氣的雷諾數Re遠大于2 300，處于湍流狀態。計算域內空氣視為不可壓縮流體，利用Fluent軟件，選擇多重參考系計算方法。其轉子、整流盤固體區域中的空氣處于旋轉坐標系中，其他流體部分位于三維固定直角坐標系中。

在溫度場計算求解過程中采用質量、動量與能量守恒方程及標準k-ε兩方程湍流模型[4]，其通用控制方程如下：

div(ρUφ)=div(Γφgradφ)+Sφ。

(1)

式中：ρ為密度；φ為通用變量；Γφ、Sφ分別為廣義擴散系數和廣義源項。

2．2計算條件

在額定工況下，轉子轉速為3 120 r/min，某電機研究所通過電磁場計算得到了各種損耗數值，見表1。由表1可算得計算域內各部分熱源數值。空氣所受重力與其他力相比較小，可以忽略不計。入出口風筒均接至主機風扇前端，因此，其表壓力均為0 Pa，空氣入口溫度按照電機規范取40℃。物理模型外周界機殼為壁面邊界，中心剖面轉子部分為周期性邊界。在計算過程中，匝間絕緣材料、銅繞組、軸均為各向同性材料，物性參數為常數，熱導率λ分別為0.22、387.6、31.8 W/(m·K)，而鐵心疊片為各向異性材料，熱導率λ沿疊片徑、切向的數值都為42.5 W/(m·K)，軸向(厚度方向)為0.57 W/(m·K)。

表1　勵磁機內部件損耗值

物理模型建完以后，需對其網格進行劃分。在近壁面區采用標準的壁面函數法進行處理，近壁面網格y+滿足標準壁面函數要求；方程組采用分離、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，經多次網格調整，最終獲得計算域的穩態湍流流動及傳熱耦合計算網格獨立收斂解。

3計算結果及分析

3．1速度場計算結果及分析

設計階段，廠商認為定子上方風筒為勵磁機出風筒，現場實驗及數值模擬實驗發現，現實與想象相反，整流盤上方的出口為熱風，屬于空氣出口。經過流場反演，得到這種同軸布置3個旋轉部件(雙側整流盤+轉子)的電機內部空氣流動路徑，見圖2。圖2給出了兩個特征截面極角10°、120°速度矢量圖。

圖2　極角10°與120°截面位置速度矢量圖Fig.2　　　　Velocity vector diagram of polar angle　　　 10° and 120° section

由圖2可知冷卻空氣的具體走向，具體如下：取自于主機風扇前端的流道中的冷空氣經定子上方的進風口進入定子鐵心背部，大部分經過定子鐵心邊段風溝通過機座環板，進入兩側的空氣區內；另一小部分進入定子風溝中向下流動，與經轉軸通風槽到達轉子風溝甩出的空氣在氣隙旋轉射流混合，之后到左右兩側空氣區中。從定子邊段鐵心風溝甩出靠近風溝1的空氣和從轉子風溝1甩出的在整流盤引力作用下經氣隙沿軸向流出的空氣，被右側整流盤吸入，冷卻旋轉整流盤二極管；另一部分自軸與機座間的空隙進入外罩與機座之間，冷卻機座與外罩后被左側整流盤吸入，冷卻其旋轉整流盤二極管。冷卻空氣從左右雙側整流盤上部出風口流出,進入主機風扇前端，在主機內循環。分析速度矢量圖可知：計算域內的轉子風溝空氣區、整流盤空氣區等的速度非常高，最高達到81.9 m/s，位置在旋轉半徑較大的整流盤處，氣隙區靠近轉子外表面處空氣受到壁面旋轉剪切粘性力的帶動，速度也較大。在機座、機殼和定子風溝2～4附近的冷卻空氣速度一般較低，低于5.6 m/s。在旋轉部件周圍會形成大小不一的渦旋，產生摩擦生熱，不利于空氣的流動和各部件的冷卻。

計算結果表明，轉子內部旋轉半徑越大，空氣運動速度越大，定子風溝內部流動復雜，能夠體現該種風路布置的勵磁機內部流動特征，故圖3給出了該方案定子風溝3(Z=25 mm，r=200～295 mm)沿周向0～90°內的速度矢量圖補充說明勵磁機內速度分布特征。

圖3　定子風溝3速度矢量圖Fig.3　　　　Velocity vector diagram of wind duct 3　　　 of stator part

由圖3可知，氣隙部分上部靠近定子側與下部靠近轉子部分的速度大小和方向顯著不同，界面明顯，靠近轉子外徑處的空氣在粘性剪切應力作用下，一同旋轉，形成速度較大的流體邊界層，最大速度為47.9 m/s，隨著氣隙沿半徑增大方向，速度數值逐漸減小，速度梯度很大，且在與定子齒部相接處，空氣部分流進、部分流出。一小部分向Y軸正方向進入定子線棒周圍較小截面的鐵心齒部風溝中，空氣速度數值大多在10.5 m/s以下，相對較??；靠近連接筋(工字鋼)兩邊來自齒部的空氣速度較大，空氣流動較復雜，定子線棒周邊的齒部與軛部中心位置空氣有明顯的渦流形成，冷卻空氣圍繞固體線棒旋轉，與背部相連處的定子風溝上方冷卻空氣有進有出，定子鐵心軛部上邊緣外為定子鐵心背部空氣區，風溝軛部中每條定子線棒上方的空氣流通截面積沿徑向逐漸增大，定子疊片連接筋向心布置，因而形成中心局部速度較小。

3．2壓力場計算結果及分析

圖4給出了該方案極角30°、極角150°特征截面的壓力分布云圖進行對比分析。

由圖4可知，總體而言，轉軸上方轉子槽空氣區處的壓力最低，壓力值為-2 721 Pa，緊挨機座左側入口的整流盤靠近軸套處空氣區負壓較低，壓力值-1 886～-1 052 Pa之間，吸風作用較強，極角150°截面右側整流盤二極管下方靠近軸套和絕緣墊板之間局部空氣區壓力最高，壓力值為1 450 Pa，由于其間隙較小，故會出現憋風現象，壓力較高，最低值與最高值壓差4 171 Pa，機殼與機座之間空腔中負壓較低，數值在-1 052～-635 Pa之間，轉子風溝空氣區壓力在-1 886～-218 Pa之間，沿徑向壓力逐漸升高，主要由于轉軸、轉子鐵心和整流盤高速旋轉，形成負壓區，使定子上方進風口處的空氣順利進入定轉子風溝，勵磁機內空氣入出口無靜壓差，除定子風溝2～4入出口壓力差很小，由于定轉子風溝中間通過厚度僅3 mm的環形氣隙空間連接，氣隙中空氣與軸向定轉子兩端空氣區存在壓差，導致氣隙內空氣主要沿軸向流動。

圖4　極角30°與150°截面位置壓力分布云圖Fig.4　　　　Static pressure contours of polar angle　　　 30° and 150° section

3.3三維溫度場分析

以勵磁機該方案極角10°、120°特征截面的溫度分布云圖5為例，說明勵磁機定轉子、絕緣、空氣溫度分布特點。

圖5　極角10°與120°截面位置溫度分布云圖Fig.5　　　　Temperature contours of polar angle　　　10° and 120° section

由圖5可看出，最高溫度位置出現在靠近整流盤的轉子線棒端部處，數值為107.1℃，顯然，與之相鄰的轉子端部線棒絕緣溫度遠低于許用溫度130℃，而且整流盤二極管附近空氣溫度范圍為70～73℃。定子峰值溫度出現在線棒端部靠近整流盤部分，數值93℃，定子線棒溫度分布左右不對稱，另一端部溫度較低，數值范圍為76～80℃，左右溫度差為13℃左右，原因是遠離整流盤端的邊段鐵心風溝中冷卻空氣流量大。定子鐵心背部靠近空氣入口的部分溫度較低，靠近定子線棒附近齒部溫度較高。原因是冷空氣剛進入定子鐵心背部時，溫度較低，齒部除空氣溫度高外，位置方面靠近溫度較高的定子線棒。機殼與機座之間，部分靠近出口處的空氣溫度較高，溫度范圍為66～70℃，機座下方溫度較低，溫度范圍為63～66℃。

圖6為該方案補充和更詳細展示轉子線棒的溫度分布，由圖可知，轉子線棒部分的峰值溫度為107.1℃，位置同上，遠離整流盤側轉子線棒端部溫度為91～99℃，靠近整流盤側轉子線棒端部的溫度為97～107℃，位于遠離整流盤側的轉子線棒端部溫度低于靠近整流盤側的，主要原因是靠近整流盤側有轉子線圈架緊鄰，線圈架材料導熱性能差，另外下部軸空氣槽入口部分被轉子引線阻擋，該側槽入口進風量較少，導致轉子線棒直段的溫度從左到右逐漸降低。此外，被空氣直接沖刷冷卻的風溝位置處的繞組溫度低于周邊與鐵心疊片相鄰部分的繞組溫度，見圖6。

圖6　轉子線棒溫度分布云圖Fig.6　Temperature contour of rotor winding bar

3．4結果準確性分析

勵磁機內部旋轉流場與空氣動力場很復雜，目前不能獲得解析解。為了驗證結果的準確性，一方面，將該方案的體積流量為0.283 m3/s，與某電機研究所采用等效風路法所得該方案相同工況下的總通風量0.3 m3/s做了對比，誤差為5.6%比較準確。另一方面，數值模擬出的空氣入出口流動方向與實驗結果測量結果一致。

4結論

本文通過對同軸上布置雙側整流盤和轉子三個旋轉部件、且整流盤和定子上方均布置風筒的新型無刷勵磁機三維湍流流場和溫度場的數值計算反演，得出以下結論：

1)冷卻空氣從定子上方風筒入口進入，大部分從定子鐵心邊段風溝流出，從中部定子風溝流出較少，在鐵心齒部線棒周圍及軛部空氣均形成渦流。從轉子風溝甩出的空氣，在整流盤負壓引力作用下經氣隙沿軸向流出。

2)轉軸上方空氣槽中空氣負壓最低，緊挨機座入口的整流盤靠近軸套處空氣區負壓較低，吸風作用較強。

3)該方案勵磁機最高溫度位置出現在靠近整流盤側的轉子線棒端部，左右兩側溫度不對稱，轉子線棒直段的溫度從左到右逐漸降低，絕緣均不超溫，并且整流盤的工作環境溫度較低，符合要求。

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(編輯：劉素菊)

Numerical simulation of ventilation cooling system for brushless exciter

LU Yi-ping1,ZHANG Dong-xue1,SUN Bo1,WANG Zuo-min1,LI Meng-qi2

(1.School of Mechanical & Power Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080；2.Harbin Electric and Power Equipment Company Limited, Harbin 150040, China)

Abstract:In order to study the flow path and cooling characteristic of cooling air of ventilation scheme for the brushless exciter of non-salient pole synchronous motor, the finite volume method was adopted, according to the computational fluid dynamics (CFD) principles. A half physical model of a new brushless exciter structure that is relative to the ground was established. The flow path, flow and temperature fields of ventilation scheme of the brushless exciter were researched. The cooling characteristic of ventilation scheme and distribution feature of flow and temperature fields were given. The results show that the position of the highest temperature of the brushless exciter appear in the end of rotor bar. And the insulation temperature of brushless exciter is not overheating. Compared with the value that is calculated by the institute of electronic machinery technology through Equivalent Network Method, the errors of total volume flow rate is only 5.6%, under the same condition. The results provide theoretical basis for further optimizing the air ducts structure of the exciter.

Keywords:brushless exciter; ventilation scheme; numerical simulation; finite volume method; flow and temperature fields

收稿日期:2015-07-09

基金項目：國家自然科學基金(50976027)；哈爾濱市科技創新人才基金(2013RFXXJ032)

作者簡介：路義萍(1965—)，女，博士，教授，博士生導師，研究方向為各類電機中流動與傳熱數值模擬；

通訊作者:路義萍

DOI:10.15938/j.emc.2016.06.004

中圖分類號:TM 311

文獻標志碼:A

文章編號:1007-449X(2016)06-0026-06

張東學(1990—)，男，碩士，研究方向為無刷勵磁機中的流動與傳熱數值模擬；

孫博(1980—)，男，博士，講師，研究方向為傳熱與流動數值模擬；

王佐民(1971—)，男，碩士，副教授，研究方向為熱電轉換；

李夢啟(1966—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電機設計。