HL-2M RMP線圈高速電機(jī)定子的散熱研究

江嘉銘 姚列英 李 青 任青華

（核工業(yè)西南物理研究院，成都 610225）

HL-2M RMP線圈高速電機(jī)定子的散熱研究

江嘉銘 姚列英 李 青 任青華

（核工業(yè)西南物理研究院，成都 610225）

基于 12000r/min的 HL-2M RMP線圈飛輪電機(jī)的定子設(shè)計(jì)進(jìn)行了散熱研究，以使得HL-2M RMP線圈供電電機(jī)定子的單根繞線電流達(dá)到300A不會(huì)被燒壞，利用公式推導(dǎo)和有限元分析相結(jié)合的方法，優(yōu)化了電機(jī)定子的散熱設(shè)計(jì)。

飛輪電機(jī)；電機(jī)定子；散熱設(shè)計(jì)

HL-2M RMP線圈飛輪儲(chǔ)能電機(jī)［1］是一種兼顧電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)功能的高速電機(jī)，電機(jī)飛輪轉(zhuǎn)子由電網(wǎng)三相交流電經(jīng)移相整流變壓器后的電流驅(qū)動(dòng)并保持設(shè)計(jì)的動(dòng)能；當(dāng)定子線圈的外加電流為0時(shí)，電機(jī)定子線圈在瞬間輸出一個(gè)高電流脈沖，由電機(jī)的飛輪轉(zhuǎn)子動(dòng)能轉(zhuǎn)化為瞬時(shí)電力輸出，而線圈負(fù)載的最大峰值電流［2］為 20.4kA，使得電機(jī)定子單根電流的最大電流達(dá)到了300A。

由于軍用和民用對這種飛輪儲(chǔ)能電機(jī)的迫切需求，英美等發(fā)達(dá)國家競相開展了這種飛輪電機(jī)的研究。電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高使得電機(jī)定子線圈的電流大幅提高，由于單位體積功率密度與損耗的增加和總體散熱面積的減小，因此有效的散熱方式，是高速電機(jī)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問題［3-4］；有必要對300A電流的定子繞線進(jìn)行散熱研究，進(jìn)一步優(yōu)化電機(jī)定子設(shè)計(jì)。

1 HL-2M RMP線圈電機(jī)及定子結(jié)構(gòu)

HL-2M RMP線圈電機(jī)是一種單級(jí)電機(jī)［5］，如圖1（單位:mm）所示，電機(jī)轉(zhuǎn)子沒有繞組，只有若干永磁硅鋼片組成。

圖1 HL-2M RMP線圈電機(jī)結(jié)構(gòu)

電機(jī)定子圓周布置48根線圈，放置于48根陶瓷絕緣棒中，電機(jī)的轉(zhuǎn)子是由兩個(gè)單獨(dú)的永磁體電極組成，定子的簡化模型如圖2所示。

圖2 定子的簡化模型

線圈邊和陶瓷棒長度相等，線圈長 0.08m，其矩形截面邊長為0.004m，線圈外圓為陶瓷環(huán)，陶瓷環(huán)內(nèi)經(jīng)0.46m、外徑0.5m、高0.06m，線圈用綁扎固定在陶瓷環(huán)上，在陶瓷環(huán)的側(cè)面邊上開孔，陶瓷棒就是從側(cè)面孔上伸到里面的，在兩個(gè)陶瓷棒之間放線圈，定子基座高0.1m，定子底面厚0.004m，定子零件的材料見表1。

表1 電機(jī)定子材料的基本參數(shù)

2 電機(jī)定子的散熱模型

電機(jī)定子的散熱研究主要包括兩種研究方式:①自然散熱研究；②空氣風(fēng)冷散熱研究。自然散熱研究包括大空間散熱研究和有限空間自然散熱研究。

2.1 電機(jī)定子的自然散熱模型

大空間散熱的研究主要是指電機(jī)置于一個(gè)大空氣環(huán)境里散熱，陶瓷環(huán)、陶瓷棒和基座的表面散熱系數(shù)是恒定的，分別考慮輻射和不考慮輻射，分析模型如圖3所示。

圖3 電機(jī)定子自然散熱模型

有限空間散熱研究的模型與大空間散熱模型的不同之處在于的空氣單元的設(shè)置，有限空氣單元的外表面溫度為外環(huán)境溫度30℃。

2.2 電機(jī)定子的風(fēng)冷散熱模型

風(fēng)冷散熱的成本比自然散熱高，如圖4所示，在空氣單元上、下分別加上空氣的恒定流速，利用基本的傳熱理論進(jìn)行熱邊界的流-固耦合計(jì)算。

圖4 空氣風(fēng)冷散熱模型

3 電機(jī)定子的散熱計(jì)算

為了降低電機(jī)定子的散熱成本，如果電機(jī)定子在有限空間能滿足散熱需求，則不必考慮大空間散熱和風(fēng)冷方案。

3.1 電機(jī)定子有限空間自然冷卻計(jì)算

根據(jù)有限空間自然換熱關(guān)聯(lián)式［6］，即

針對定子陶瓷環(huán)外表面部分的計(jì)算，其外表面部分的高度為0.06m，外圓直徑為0.5m，在式（2）中假設(shè)ΔT=800℃得:Gr=1.5×104＜2.9×105，由有限空間層流實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)系數(shù)表得

當(dāng)A=0.03pi，陶瓷環(huán)外表面的散熱功率為

針對定子基座外表面水平部分的計(jì)算，基座的設(shè)計(jì)高度為0.1m，外圓直徑為0.5m，由式（1）和式（2）得:Gr=2.2×106＜2.9×105，空氣屬于層流。

針對定子基座垂直部分的計(jì)算，基座的底座表面直徑為 0.5m，得:Gr=7.3×106＜2.9×105，屬于層流，由式（1）和式（2）得

電機(jī)定子的總外表面的散熱與溫差關(guān)系式為

把線圈的總發(fā)熱量φ =373.68W，代入式（12）得，ΔT=808℃，與理論分析假設(shè)的溫差基本一致，表示壁面平均溫度與環(huán)境的溫差相差808.8℃，顯然不能滿足定子的散熱要求，ANSYS熱計(jì)算的電機(jī)定子散熱溫度如圖5所示，計(jì)算結(jié)果表明有限空間散熱的效果不好，可以排除這種方式。

圖5 有限空間散熱計(jì)算結(jié)果

3.2 電機(jī)定子大空間自然冷卻計(jì)算

大空間的環(huán)境比較穩(wěn)定，空氣流動(dòng)性好，針對定子陶瓷環(huán)外表面部分的計(jì)算，其設(shè)計(jì)高度為0.06m，外圓直徑為0.5m，在式（2）中，假設(shè)ΔT= 112℃得:Gr=1.8×106＜3×109，空氣屬于層流，根據(jù)大空間自然換熱關(guān)聯(lián)式和層流實(shí)驗(yàn)關(guān)聯(lián)公式系數(shù)表得

陶瓷環(huán)外表面部分的散熱總功率為

針對定子基座豎直部分的計(jì)算，基座的設(shè)計(jì)高度為0.1m，外圓直徑為0.5m，由式（1）和式（2）得出:Gr=8.25×106＜3×109，空氣屬于層流，得出

針對定子基座水平部分的計(jì)算，基座的底座表面直徑為0.5m，得出:Gr=1.1×109＜3×109，空氣屬于層流，得出

那么得

線圈的設(shè)計(jì)電流為300A，線圈長0.08m，矩形截面為 4mm×4mm，銅線單根電阻值為:8.65× 10-5Ω，根據(jù)歐姆定理，單根線圈的發(fā)熱功率為: 7.785W，48跟線圈總的發(fā)熱量φ 為373.68W，代入式（24），ΔT=112℃，與前面的假設(shè)溫差相近，結(jié)果比較可信。壁面平均溫度與環(huán)境的溫差比較大，最高溫度基本在 130℃以上，計(jì)算熱分析如圖 6所示，線圈的平均溫度均比環(huán)境溫度高 107.95℃，與上面的理論分析比較吻合。

圖6 大空間散熱計(jì)算結(jié)果

4 HL-2M RMP線圈電機(jī)定子散熱優(yōu)化

根據(jù)有限空間和大空間自然散熱研究結(jié)果，電機(jī)定子與周圍環(huán)境的溫差較高，由于有限空間散熱更接近電機(jī)實(shí)際工況條件，可在有限空間里選擇風(fēng)冷方案來優(yōu)化電機(jī)定子散熱。

選擇風(fēng)冷的邊界條件見表 2，為了防止垂直吹向陶瓷引起風(fēng)流反竄，使陶瓷表面形成一股氣流死角區(qū)，導(dǎo)致陶瓷的表面溫度冷卻速度不一致，時(shí)間長久陶瓷會(huì)因熱應(yīng)力破裂；因此選擇平行于陶瓷外表面的風(fēng)向，類似于臺(tái)式電腦主板的風(fēng)冷方案。

表2 邊界條件

根據(jù)理論計(jì)算分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在環(huán)境50℃的情況下，風(fēng)速與線圈最高溫度的變化如圖7所示，計(jì)算曲線和實(shí)驗(yàn)測量曲線十分吻合，風(fēng)冷優(yōu)化了定子的最高溫度，在風(fēng)速小于0.5m/s的期間，線圈的溫度很高，因此，在樣機(jī)開啟的時(shí)候，風(fēng)機(jī)首先并達(dá)到0.5m/s的風(fēng)速，確保線圈不會(huì)在瞬間燒壞。

圖7 線圈的溫度與風(fēng)速的關(guān)系

如有些電機(jī)在野外作業(yè)，電機(jī)的工作環(huán)境處于一個(gè)大空間里，可選擇大空間熱輻射［7］自然散熱來優(yōu)化電機(jī)定子線圈的溫度，氮化鋁陶瓷的熱輻射率0.85和基座的鋼材輻射率為0.9，這樣的情況下，大空間散熱的效果如圖8所示。

圖8 大空間散熱考慮輻射的溫度分布

如圖 9所示，電機(jī)定子的最大熱流密度是0.28e6W/m2，根據(jù)電機(jī)定子的結(jié)構(gòu)陶瓷環(huán)外直徑為0.5m、高 0.004m，散熱面積為 0.00628m2，陶瓷棒和陶瓷環(huán)的傳熱功率為1.76kW，基本的傳熱能滿足散熱要求。

圖9 大空間散熱考慮熱輻射時(shí)的熱流密度

5 結(jié)論

電機(jī)處于野外大空間環(huán)境里，考慮電機(jī)定子熱輻射，保持環(huán)境溫度的相對穩(wěn)定（氣溫 50℃），現(xiàn)在的HL-2M RMP線圈電機(jī)定子散熱設(shè)計(jì)能滿足散熱要求的，傳熱功率達(dá)到了 1.76kW 以上，散熱功率基本達(dá)到了 373.68W，電機(jī)定子的溫度場穩(wěn)定，線圈的最高溫度119℃。

電機(jī)處于某一狹小有限空間里，電機(jī)定子外表面必須使用風(fēng)冷，且風(fēng)速不小于 0.5m/s，此時(shí)定子的線圈的最高溫度小于130℃，基本滿足300A定子電流的散熱要求。

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The Heat Dissipation Study of HL-2M RMP Coils Power Supply High Speed Motor Stator

Jiang Jiaming Yao Lieying Li Qing Ren Qinghua
（Southwestern Institute of Physics，Chengdu 610225）

Basing on the design of the 12000r/min speed of HL-2M RMP coils power supply flywheel motor，the motor stator heat dissipation has been studied，in order to let the current of the motor stator coil reach 300A without burning to be broken，taking use of formula derivation and the finite element analysis methods，the stator heat dissipation design has been optimized.

flywheel motor；motor stator；heat dissipation design

江嘉銘（1984-），男，江西九江人，碩士，工程師，主要從事托卡馬克主機(jī)與真空系統(tǒng)的相關(guān)科研工作。

國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)資助基金（2015GB104）