電動滾筒用永磁外轉子電機水冷系統的設計與分析

2023-09-22 04:52:30鄭慶華韓雪巖

電機與控制應用 2023年9期

馬鑫, 鄭慶華, 周挺, 韓雪巖

(1.沈陽工業大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心,遼寧沈陽 110870;2.江西工埠機械有限責任公司,江西樟樹 331200)

0 引言

隨著“雙碳”戰略政策的不斷推進,各個行業的產品也向高效化、輕量化和小型化發展。電動滾筒把永磁外轉子電機和滾筒完美地結合在一起,替代原有的電機、減速機、滾筒的傳統傳動模式,以及后續出現的直驅電機、滾筒的直驅傳動模式。電動滾筒具有結構簡單、體積小、效率高、維護成本低的特點。但是,隨著產品結構的緊湊性及導熱形式的改變,給電機繞組溫升帶來了更大的壓力。傳統內轉子電機主要的散熱面積在機殼外側,通過機殼散熱;電動滾筒的散熱面積在轉軸內側,相對內轉子電機其散熱面積減小。因此,設計一套高效的冷卻系統對于永磁電動滾筒的小型化和輕量化有著重要意義[1-3]。

目前永磁電動滾筒的冷卻系統主要采用空心軸自然冷卻、空心軸風冷以及轉軸水冷等方式。空心軸自然冷卻效果較差,且電機體積較大;空心軸風冷為追求較大的散熱面積增加了軸的內徑,導致材料浪費以及軸承成本增加。文獻[4]采用自然冷卻外轉子永磁電機,運用熱網絡法對其進行了溫升計算。文獻[5]介紹了外轉子永磁電機的電磁設計以及相關熱源計算方式并設計了一種分流式水路冷卻系統,對其進行仿真計算。文獻[6]設計了一臺空心軸空冷外轉子永磁電機,采用流固耦合進行仿真計算。文獻[7]針對50 kW軸向永磁電機設計了槽內循環水冷結構,分析了該結構下流速、水壓、散熱面積對冷卻效果的影響。文獻[8]在高速內轉子永磁電機定子鐵心內開設水道,分析了水道數量對電磁參數和溫升的影響。

在以上研究成果的基礎上,本文提出一種適用于大功率永磁電動滾筒的水冷冷卻系統,用于解決大功率電動滾筒溫升過高、體積過大、質量過大等問題。首先,建立滾筒溫度場的求解模型并進行計算;其次,對比分析三種不同流道構型的散熱面積、散熱系數、所需水壓的不同以及對溫升的影響;最后, 基于710 kW永磁電動滾筒設計一種軸向水冷系統,并分析水冷系統參數對溫升的影響,完成溫升試驗,驗證相關設計技術的正確性,對解決電動滾筒過熱問題具有重要意義。

1 電動滾筒外轉子電機的結構

以710 kW永磁電動滾筒為研究對象,提出了一種如圖 1 所示的大功率永磁電動滾筒冷卻結構。滾筒充當電機的轉子,電機定子在滾筒內部。水冷系統就由內、外冷卻水套、保持架以及軸護套構成。首先,定子鐵心與外水套完美貼合,確保較好的導熱效果;其次,保持架承載了定子自身的重力以及工作過程中產生的轉矩,提高了整體的機械強度;最后采用軸套減小軸的尺寸,避免材料浪費。電動滾筒的主要設計參數如表1所示。

表1 電動滾筒參數

2 電動滾筒外轉子永磁電機模型建立

2.1 數學模型

根據能量守恒定律和傳熱學理論,在直角坐標系的求解域內,三維瞬態熱傳導及其邊界條件可表示為[9-10]:

(1)

式中:T為物體溫度;kx、ky、kz分別為x、y、z方向上的導熱系數;q為熱源密度;ρ為物質密度;c為物質比熱容;T0為邊界S1上的溫度;n為邊界法向量;q0為邊界面S2的熱流密度;k為導熱系數;α為散熱系數;Te為周圍介質溫度。

流體處于穩定流動狀態時的三維流體通用控制方程可表示為[11]

(2)

式中:u、v、w分別為速度在x、y、z方向上的分量;φ為通用變量;Γ為擴展系數;S為源項。

2.2 模型建立

基于Solid Works軟件建立三維電機模型圖,為了網格剖分方便,對電機三維模型進行如下簡化:

(1) 將削角后的永磁體簡化處理建模,永磁體建成未削角形式;

(2) 定子槽口位置的槽楔部分簡化處理;

(3) 繞組等效成左、右均勻分布的矩形塊,簡化后的橫截面如圖2所示;

(4) 對滾筒和端蓋進行了一定的簡化處理,如圖3～圖4所示。

表2 給出了電動滾筒各部分材料的導熱系數。

表2 電機各部分材料的導熱系數 W/m/K

3 水冷系統的設計與分析

3.1 水冷系統的流道構型

水冷結構采用的流道構型一般分為軸向式、圓周式、螺旋式三種,如圖5所示。三種流通的參數及溫升見表3。

表3 三種流道的參數及溫升

在水流流速相同的情況下,三種流道構型表明圓周式和軸向式流道的傳熱接觸面積差別不大,略高于螺旋式流道。三種流道構型中軸向式流道的散熱系數最高,圓周式流道次之,螺旋式流道最小。但是,從所需的水壓來看,軸向式流道的流阻最大,流路損耗大,相反螺旋式流道的流阻最小。從繞組溫升看,軸向式流道略好于圓周式流道,圓周式流道略好于螺旋式流道。

螺旋式流道由于設計簡單,制造容易,目前小功率電機一般采用螺旋式流道。但是,對于大功率電機采用軸向式流道應是最好的選擇。本文采用的軸向式流道的展開圖如圖6所示,水的流速分布如圖7所示。

3.2 流道外壁直徑對溫升的影響

流道外壁直徑對溫升有著至關重要的影響,直徑的大小直接決定了整體散熱面積的大小。流道外壁直徑與溫升的關系如圖8所示,如圖8可知,流道外壁直徑越大散熱面積越大,導致滾筒的溫升越低。但是,此尺寸受限于電磁參數的設計,若直徑越大電磁設計中定子內徑就越小,則會占用定子槽內面積,增加電機銅耗,導致熱源增加,這反而會導致散熱下降。因此,外壁直徑在滿足電磁參數基礎上越大越好。

3.3 流道外壁的厚度對溫升的影響

水道外壁的厚度決定了熱傳導的快慢,不同外壁厚度下電機的溫升情況如表4所示。表4計算了相同流道面積、相同流道數下,不同外壁厚度對滾筒溫升的影響情況。從計算結果可以看出每增加10 mm厚度,溫升增加1 K左右。因此,外壁厚度對溫升的影響可以忽略不計。

表4 不同外壁厚度下電機的溫升 K

3.4 流道高度對溫升的影響

流道個數不變,增加流道高度,流道高度的增加帶來流道面積的增加,在考慮流量不變和水壓不變的情況下,溫升與流道高度的關系如表5所示。

表5 不同流道高度下電機的溫升

當流量不變時,滾筒溫升幾乎沒有任何變化,說明流量是決定溫升的主要參數。當水壓不變時,流道面積增大,流阻變小,流量增加,溫升隨著流量的增加而降低,但是降低趨勢變緩,當流量到達一定數值時,幾乎不會影響滾筒的溫升。

3.5 流道數量對溫升的影響

逐步增加流道的個數,保持其他參數和流量不變,滾筒溫升和相應水壓的變化趨勢如圖9所示。

由圖9可以看出,在流道數量較少時,滾筒的溫升較高,但隨著水道數量的增加溫升迅速降低,當流道數量增加到一定時,滾筒溫升基本不發生變化,趨于穩定。但隨著水道數量的增加,水壓迅速增大,致使流道損耗變大。因此,流道數量在18～24個是最優的選擇。

3.6 流量對滾筒溫升的影響

流量是決定溫升大小的一個重要參數,其影響如圖10所示。圖10為不同流量下的滾筒溫升情況。圖11為滾筒的溫度分布情況。由圖10和圖11可以看出,水流量高于3.5 m3/h時,滾筒溫升基本控制在75 K左右,因此,在不改變其他冷卻參數的情況下,水流量達到一定數值后將不會對溫升起到影響。

圖1 電動滾筒的總體結構

圖2 簡化后的橫截面圖

圖3 水冷路徑示意圖

圖4 定子和轉子部分示意圖

圖5 水冷系統的流道構型

圖6 流道展開圖

圖7 水的流速分布

圖8 流道外壁直徑與溫升的關系

圖9 流道個數對溫升和水壓的影響

圖10 流量對滾筒溫升的影響

圖11 滾筒溫度分布

4 電動滾筒的溫度仿真結果

針對上述分析結果,本文采用軸向式流道構型下的水冷結構,其主要參數如表6所示。

表6 電動滾筒的冷卻結構參數

圖12為滾筒軸向與徑向溫度分布如圖,通過圖12滾筒軸向和徑向溫度分布可以看出發熱嚴重的地方集中在繞組的端部,溫度到達102 ℃,繞組平均溫升在75.5 K左右。圖13為電動滾筒主要部件的溫度分布情況。

圖12 滾筒軸向與徑向溫度分布

圖13 滾筒主要部件的溫度分布

此外,仿真時考慮滾筒外部的包膠,滾筒的溫度分布呈現中間高兩邊低的趨勢,其最高溫度到達100 ℃左右,兩端的溫度在70 ℃左右。

5 樣機與試驗

為了驗證前文設計分析的準確性,將本文設計的水冷系統應用到710 kW的電動滾筒上,樣機如圖14所示。

圖14 樣機實物圖

外轉子電動滾筒的轉軸固定不動,轉矩不能通過轉軸輸出,而通過滾筒直接輸出。因此,傳統的試驗平臺中,沒有與其適合連接的負載機。因此,本文搭建了如圖15的試驗平臺,將電動滾筒固定在固定平臺上,將鋼絲繩的一端與滾筒固定連接,鋼絲繩穿過平臺頂端的定滑輪后,與另一端的砝碼相連接。滾筒的額定轉矩為88 627 N·m,折算到砝碼的質量為14 500 kg,滾筒周期性正反轉提降砝碼完成溫升試驗。