水冷永磁防爆電機十字形肋片的優化設計

呂 品, 王浩銘, 李明軍, 程魯帥, 王凱旋, 翟悅琳

(黑龍江科技大學 電氣與控制工程學院, 哈爾濱 150022)

0 引 言

永磁防爆電機在運行時會產生大量熱量,由于煤礦處于環境多水,較潮濕,多粉塵的特殊工作環境,且永磁防爆電機采用隔爆外殼把可能產生火花、電弧和危險溫度的電氣部分與周圍的爆炸性氣體混合物隔開,因此如何優化永磁防爆電機的冷卻結構成為設計永磁防爆電機的一道關卡。

電機溫升計算方法有簡化公式法、熱網絡法和數值計算方法[1],王曉遠等[2-5]針對永磁電機建立了軸向、周向和螺旋型水冷結構,從流速、壓差等多個方面對比分析了三種結構的優缺點,結合成本與冷卻效果,最終選擇最佳水路結構。王淑旺等[6]建立永磁同步電機三維模型,探究了水道數與最高溫度和壓力之間的關系。路玲等[7]針對電機水道軸向寬度和周向寬度比的不同,對于水道回流現象有改善作用。李翠萍等[8]針對水冷電機,分析了不同冷卻水流速對電機溫升的影響。王雪斌等[9-10]分析了礦用永磁直驅電機軸向”Z” 字形和周向螺旋形水冷結構,得到了不同水冷結構水速矢量分布圖。蘭志勇等[11]提出一種新型水路結構,即定子開槽并嵌入水管的冷卻結構探究其對電機溫度的影響。武岳等[12]針對雙轉子電機設計了兩種不同的水冷結構,指出槽內內外循環散熱效果好。王曉遠等[13-14]對螺旋水路長方形水道相同進水面積的條件下,分析了水道長寬比對電機散熱能力的影響,得到最優長寬比尺寸結構。郝嘉欣等[15-16]設計了流道擾流片,得出了擾流片與冷卻液流向的最優夾角與擾流片間行間距的最優解。吳柏禧等[17]考慮水道圓角半徑,對不同的水道圓角半徑進行仿真,得到圓角半徑對水道壓降的影響。

以上文獻研究為永磁水冷電機內常規水冷方式的流體場和溫度場的計算奠定了一定的基礎。但水冷永磁防爆電機肋片結構下流體場與溫度場結合的研究成果較少,因此提出十字形肋片結構種對流體流動與傳熱相結合的永磁水冷防爆電機散熱的影響具有一定的工程實用價值。與以往研究不同的是,文中采用導熱散熱原理,設計探討十字形肋片結構對電機溫度分布的影響,采用有限體積法對一臺礦用永磁防爆電動機的流固耦合模型進行數值分析。

1 電機模型

1.1 數學模型

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——感應電動勢。

(3)

(4)

將式(3)(4)代入式(2)中得:

(5)

由于Φxm=B2xh,代入式(5)得:

整個渦流損耗為

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

B——定子鐵心磁感應強度;

f——電樞磁場的交變頻率;

PFe——整個定子鐵心總鐵耗;

Ka——經驗系數,根據電機的容量不同,其值可從1.5～2.0之間選取;

mFe——鐵心的質量。

1.2 電機模型及仿真設置

所用電機為永磁水冷防爆電機,其采用機殼水冷方式結構,采用Z型水道,電機基本參數如表1所示。

表1 電機結構參數

根據電機參數建立電機的三維模型如圖1所示。由于電機是礦用電機,電機內部與外界空氣隔絕。

圖1 電機三維模型Fig. 1 3D model of motor

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

1.3 網格劃分與邊界條件

利用有限體積法計算電機的溫度場和流體場需要將電機模型進行網格劃分。文中采用多面體網格。將網格結果導入Fluent軟件內,對其進行熱仿真計算。

根據電機額定狀態的運行條件,列出邊界條件如下:與空氣接觸的固體表面均為無滑移邊界條件;電機運行環境為標準大氣壓力,環境溫度設置為300 K;外部空氣初始條件為靜止空氣,無自然流速。

1.4 熱生成率計算

基于Maxwell對電磁損耗進行仿真,同時將計算出損耗轉化為單位體積的熱生成率,電機各個部分的熱生成率,如表2所示。

表2 永磁水冷防爆電機各部分損耗與熱生成率

熱生成率計算公式[19]為

式中:P——損耗;

V——體積。

2 仿真與結果分析

2.1 原始結構

由于該電機是永磁水冷防爆電機,采用軸向”Z”字形水路結構。其特點是單條水路軸向直走,水路之間180°轉折,首尾依次連接,進出水口被一長隔水臺分隔在兩邊[20]。水路如圖2所示。

圖2 水路結構Fig. 2 Waterway structure

2.2 十字形肋片的參數優化

原始模型的溫度分布如圖3所示。從圖3可以發現,電機在原始結構下的溫升情況,其中定子最高溫109.38 ℃,繞組最高溫108.99 ℃,永磁體最高溫110.73 ℃,轉子最高溫110.73 ℃十字形肋片的不同尺寸參數對其散熱具有不同的影響,比如橫肋的高度,數量等。針對十字形肋片橫肋這兩個方面的尺寸參數,分別建立不同的三維模型。為了得到較為準確的結果,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12 mm,厚3 mm,豎肋厚3 mm的軸對稱十字形肋片。在單一水道里橫排4個,間距200 mm,豎排3個,間距22.53 mm。

圖3 電機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化

橫肋的高度對其冷卻效果是具有影響的,選取半徑 11.25 mm和33.75 mm這2個逐漸增大的高度進行CFD仿真計算電機溫度分布如圖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

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

表3 不同橫肋高度下電機各部分溫度

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溫度都比無十字形肋片電機溫度低。且隨著橫肋距離水道下半徑高度的升高,電機的溫度呈現先上升后下降的趨勢。同時橫肋高度處于11.25與33.75 mm時,電機溫度幾乎相同。

圖5 不同橫肋高度下各部分的溫度對比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溫度都比無十字形肋片電機溫度低。且隨著橫肋距離水道下半徑高度的升高,電機的溫度呈現先上升后下降的趨勢。同時橫肋高度處于11.25與33.75 mm時,電機溫度幾乎相同。

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,不同橫肋高度電機的冷卻液進出口壓降都比無十字形肋片電機冷卻液進出口壓降高。且隨著橫肋距離水道下半徑高度的升高,電機冷卻液的壓降呈現先上升后下降的趨勢。同時橫肋高度處于11.25與33.75 mm時,電機冷卻液的壓降幾乎相同。

圖6 不同橫肋高度下進出口冷卻液壓降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,橫肋對冷卻液造成的流動阻力在先增大后減小。較大的流阻對電機整體冷卻系統的產生較大的影響,從而對電機的溫升產生負面影響。綜合考慮,十字形肋片橫肋高度選擇為11.25 mm時,對電機的冷卻效果最佳。

2.4 十字形肋片橫肋數量優化

橫肋的數量對其冷卻效果是具有影響的。選取 1、2和3個橫肋這3個逐漸增多的橫肋數量進行熱仿真計算,結果如圖7和8所示。通過對電機各部分的最高溫度及冷卻水進出口壓降的對比分析,得到橫肋片數量的不同對其冷卻性能的影響,結果如圖9所示。由圖8可見,在十字形肋片橫肋數量處于1、2和3個的情況下,不同橫肋數量的電機溫度都比無十字形肋片電機溫度低。且隨著橫肋數量的增多,電機的溫度呈現下降的趨勢。由圖9可見,在十字形肋片橫肋處于數量為1、2和3個的情況下,不同橫肋數量電機的冷卻液進出口壓降都比無十字形肋片電機冷卻液進出口壓降高。且隨著橫肋數量的增多,電機冷卻液的壓降呈現先上升后下降再趨于平緩的趨勢。同時橫肋數量為2個和3個時,電機冷卻液的壓降幾乎相同。

隨著十字形肋片數量增加,橫肋對冷卻液造成的流動阻力在先增大后減小再趨于平緩。較大的流阻對電機整體冷卻系統的產生較大的影響,從而對電機的溫升產生負面影響。綜合考慮,十字形肋片橫肋的數量為3對電機整體冷卻效果最佳。

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

表4 不同數量橫肋下電機各部分溫度

圖8 不同橫肋數量各部分溫度對比Fig. 8 Temperature comparison of different parts with different number of transverse ribs

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

3 結 論

以一臺永磁水冷防爆電機為例,進行了流固耦合仿真,得到了水道十字形肋片橫肋的高度和數量電機各部分溫升分布。

(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,電機的溫度和冷卻液進出口壓降隨著橫肋距離水道下半徑高度的升高,呈現先上升后下降的趨勢。橫肋高度處于11.25 mm與33.75 mm時,電機溫度與冷卻液進出口壓降幾乎相同。

(2)十字型形片橫肋數量處于1、2和3個的情況下,電機的冷卻液進出口壓力隨著橫肋數量的增多,呈現先上升后下降再趨于平緩的趨勢。橫肋數量為2和3個時, 電機冷卻液的壓降幾乎相同。

但電機的溫度且隨著橫肋數量的增多,呈現下降的趨勢。

(3)綜合考慮橫肋的高度與數量對電機溫升的影響,發現在橫肋數量為3時,對電機的冷卻效果最佳。