籠障轉子無刷雙饋電機水冷系統設計

張鳳閣 蔣曉東 李應光

摘 要：為了降低籠障轉子無刷雙饋電機的溫升，進一步提高其功率密度，提出采用水冷方式替代風扇冷卻對該種新型電機進行冷卻系統設計。建立水冷系統解析計算模型，分別設計了軸向和螺旋兩種水路結構，計算兩種水路結構機殼表面溫度，并對兩種水路結構進行對比分析。選取無刷雙饋電機周向1/6區域作為研究對象，建立三維穩態溫度場物理模型，通過采用有限元方法計算了電機各部分的溫升分布，并對結果進行詳細分析。最后將有限元計算結果與解析結果進行對比，驗證了螺旋水路冷卻方案設計的有效性，為后續水冷樣機的研制和進一步實驗研究提供理論依據。

關鍵詞：籠障轉子；無刷雙饋電機；解析模型；冷卻系統；螺旋水路

中圖分類號：TM 352

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）06-0070-07

Abstract：For reducing the temperature rise of brushless doublyfed machine with cagebarrier rotor and improving the power density further， water cooling mode is put forward instead of fan cooling to design the cooling system. The analytical calculation model of water cooling system was established. The structures of axial and spiral water road were designed respectively. The temperature of casing surface was calculated. The advantages and disadvantages of two kinds of water road structure were compared and analyzed. Circumferential 1/6 structure of BDFM with cagebarrier rotor was taken as research object and 3D temperature field physical model was established. The temperature rise distribution of each parts of electrical machine were calculated by using finite element method and the results were analyzed in detail. Finally the numerical calculation results were compared with analytical calculation results and the effectiveness of cooling design scheme of spiral water road was verified. It provides theoretical basis for the development and further experimental research of subsequent watercooled prototype machine.

Keywords：brushless doublyfed machine； cagebarrier rotor； analytical model； cooling system； spiral water road

0 引 言

無刷雙饋電機（brushless doublyfed machine，BDFM）是一種新型結構的電機，其結構取消了電刷和滑環，降低了電機維護成本，增強了電機運行時的可靠性和安全性，在變速恒頻恒壓發電和大容量變頻調速系統中具有廣泛應用前景[1-3]。

BDFM定子上嵌有極數不同的兩套繞組，分別為控制繞組和功率繞組，運行時功率繞組與電網直接相連，控制繞組通過變頻器與電網相連。BDFM兩套繞組通過特殊轉子結構磁場調制作用進行耦合，轉子起著“極數轉換器”的作用，轉子性能的好壞直接決定著電機的功率密度和效率。

然而該種電機諧波磁場較為豐富，損耗較大，溫升問題尤為突出，直接影響到電機運行時的性能指標，并且限制了電機功率密度的進一步提高，因此有必要對該種電機的溫度場和冷卻方式進行研究。

目前國內外專家學者對電機溫度場進行了大量的研究工作[4-7]。文獻[8]基于流體力學理論研究了水冷電機冷卻水流速與電機內部溫度的關系。丁樹業[9]等以一臺2.5 MW永磁風力發電機為例，通過改變電機徑向通風溝結構尺寸，提出4種優化方案，比較不同方案冷卻性能，給出了最佳的結構設計方案。浙江大學何偉超[10]等針對高功率密度電動汽車驅動電機存在溫升較高的問題，提出一種高效率并聯V型水冷結構，并分析了該種電機的溫升分布情況。文獻[11]研究了軸徑混合結構雙饋異步發電機的通風散熱問題，分析了轉速和徑向風道結構尺寸對流量分布的影響規律。哈爾濱工業大學梁培鑫[12]等對軸向“Z”字型和螺旋水路進行了對比研究，給出了水冷電機水路的選擇原則。文獻[13]針對高能量密度電機發熱嚴重問題，提出定子機殼內“S”型水槽的設計觀點。文獻[14]以一臺1.5 MW風力發電機為例，進行了冷卻系統的設計，考察了風速﹑翅片等參數的相互影響。綜上所述，目前針對籠障轉子BDFM冷卻系統設計的研究相對較少。

本文以籠障轉子BDFM為研究對象，采用解析方法分別設計了軸向和螺旋兩種水路冷卻結構，對比分析了兩種水路結構的優缺點，建立了螺旋水路冷卻方式電機溫度場計算模型，采用有限元方法計算電機各部分溫升分布。最后通過比較解析和有限元兩種方法計算得到的水冷電機溫升，驗證了籠障轉子BDFM冷卻系統設計的有效性，為后續水冷樣機的研制提供了理論基礎。

1 電機結構

籠障轉子BDFM采用一種由磁障式疊片和籠型繞組組成的復合式籠障轉子結構，如圖1所示，樣機參數見表1所示。

2 水冷系統設計

目前針對電機應用范圍最廣的冷卻技術是機殼外表面水冷技術。即在機殼外表面開水道，在上面套一外殼，將水道密封起來，分別打通進水口和出水口，冷卻水就可以在機殼外表面和外殼內表面之間流動，帶走電機熱量，起到冷卻效果。

對于水冷系統，按水流的流動方式分為軸向水冷方式和周向水冷方式兩種，其中螺旋結構是周向水冷方式應用最為廣泛的一種結構，兩種冷卻結構示意圖如圖2所示。

分別采用軸向和螺旋兩種水路結構對籠障轉子BDFM進行冷卻系統設計，并進行對比分析。

2.1 軸向水路結構設計

根據電機結構參數，定子機殼外徑D1=430 mm，內徑Dil=400 mm，擬設計水槽段長度H=290 mm。

設計要求：進水口溫度tin≤30 ℃，出水口溫度tout≤35 ℃，機殼溫度≤40 ℃，進出水口在同一端。

2.1.1 水路參數確定

根據電機電磁設計的結果，損耗分布如表2所示。

設水道個數為n，其截面形狀近似矩形。設截面平均長為a，高為b，隔板寬度為c，則有ab=450 mm2，n（a+c）=π（400+430）/2 mm，b<（430-400）/2=15 mm。

由于電機進出水口在同一側，n選擇偶數。初步確定b=5 mm，a=90 mm，n=12，c=18 mm，由于水道數目是12，所以每個隔板中心線夾角為30 ℃。其結構設計尺寸如圖3所示。

2.1.2 冷卻水帶走熱量計算

1）水路相關數據。

根據流體受迫流動準則得到流體雷諾數為

水流及水槽相關數據如表3所示。

根據式（3）～式（5）得到散熱系數α=3 737.5 W/（m2·K）由式（7）得到T=34.22 ℃<40 ℃，滿足設計要求。

3）冷卻水帶走熱量計算。

由公式

2.2 螺旋水路結構設計

2.2.1 水路參數確定

螺旋水路冷卻結構水道截面尺寸的確定方法與軸向水路設計方法相同，預設水道設計段H為240 mm，h1為8 mm。水道嵌入機殼后，其截面形狀為矩形，假設水道的圈數為n，水道寬為a，高為b，隔板的寬度為c，如圖4所示。

通過比較試設a值，算出b和c值，最后確定a=50 mm，b=9 mm，c=6 mm，n=4。

2.2.2 冷卻水帶走熱量計算

經過計算，水流及水槽相關數據如表4所示。

由公式（3）～式（5）得到散熱系數α=5 471.8 W/（m2·K）根據公式（7）得出電機機殼溫度33.92 ℃，其值小于40 ℃，滿足設計要求。冷卻水帶走熱量6 090 W，滿足散熱要求。

2.3 水路結構比較

對比上述兩種水路結構的散熱情況可知，螺旋水路的散熱系數要大于軸向水路。考慮到水泵的輸出功率，選擇哪種水路結構主要依據進出口水壓差的大小，其與水路阻力密切相關，因此只要計算出兩種結構的水路阻力就能比較進出口的水壓差。

水路阻力分為沿程阻力和局部阻力，沿程阻力是與流體流過的路程﹑流速及水路截面尺寸有關的物理量，計算公式如下表示：

根據上述水道阻力的計算公式，分別得到兩種水路阻力的計算結果，見表5所示。

由表5可知，軸向水路沿程阻力占總阻力的34%，螺旋水路沿程阻力占總阻力的82%。軸向水路和螺旋水路的沿程阻力相差不大，近似相同，這是因為根據式（9）推導得到

其中k1—比例系數，與密度、比熱容、水路直徑、總損耗和軸向長度有關。

從上式中可知影響沿程阻力大小的主要因素是（ab）3項，即水道的橫截面積。由于所設計的軸向水路與螺旋水路橫截面積相同，因此沿程阻力近似相等。同時發現軸向水路局部阻力大于螺旋水路，因此軸向水路需要水泵提供的輸出功率更大。所以，選擇螺旋水路作為BDFM水冷結構要比采用軸向水路有利。

3 電機三維溫度場數值計算

3.1 物理模型

根據籠障轉子BDFM的結構特點，選取電機1/6圓周，整個軸向定轉子鐵心、功率繞組、控制繞組、短路和公共籠條及轉軸為研究對象，建立三維溫度場物理模型，如圖5所示，各部分材料導熱系數見表6所示。

3.2 溫度場計算結果分析

籠障轉子BDFM繞組溫度分布如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，功率繞組最高溫度為95.643 ℃，最低溫度為69.232 ℃；控制繞組最高溫度是95.336 ℃，最低溫度是67.723 ℃。兩套繞組最高溫度均位于端部區域，表明端部繞組散熱能力較弱。

定轉子溫度如圖8和圖9所示。

由圖8可知，定子齒部溫度最高，達到了84.493 ℃，軛部溫度最低為40.698 ℃，并且隨著徑向高度的增加溫度逐漸降低。由圖9可知，轉子溫度最高集中在公共籠條和短路籠條端部，達到了83.776 ℃。轉子磁障表面端部溫度較高，達到了82.376 ℃，中間溫度相對較低，最低為71.261 ℃。這是因為轉子兩端靠近籠條端部區域，溫升較高；相鄰導磁層之間設有通風溝，溝內風速較大，以至于轉子表面散熱系數較大，溫度與轉子端部相比較低。

機殼溫度分布如圖10所示。

由圖10可知，端蓋最高溫度為52.167 ℃，位于轉軸與端蓋接觸處，并且沿徑向高度溫度逐漸降低。螺旋水道內部溫度在40 ℃左右，機殼表面其他部位溫度較低，在34.051 ℃～38.077 ℃之間。通過與解析計算結果對比，發現兩種方法計算得到的機殼表面溫度基本接近，驗證了所選取的螺旋水道設計的正確性。

4 結 論

本文通過對籠障轉子BDFM冷卻系統的設計與分析，得出以下結論：

1）經解析計算發現軸向水路局部阻力明顯大于沿程阻力，考慮到水泵的功率輸出，因此選擇螺旋水路作為籠障轉子BDFM的冷卻結構。

2）軸向水路和螺旋水路的沿程阻力相差不大，主要與水路橫截面積有關。在水路直徑和軸向長度相同的條件下，水路橫截面積越大，局部阻力越小。

3）通過有限元計算可知，采用螺旋水道冷卻方式電機機殼表面溫度小于40 ℃，滿足設計要求，并與解析方法計算得出的機殼表面溫度一致，驗證了籠障轉子BDFM螺旋水路冷卻結構設計的正確性和有效性，為后續水冷樣機的研制提供理論依據。

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（編輯：賈志超）