高速永磁電機轉子蒸發冷卻系統探究范文

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《大電機技術雜志》2016年第4期

摘要：

對于大功率高速永磁電機，在高功率密度下轉子散熱困難，易造成永磁體發生不可逆退磁。為了解決轉子的有效冷卻問題，采用噴霧式新型蒸發冷卻技術，利用相變吸熱原理實現空心永磁轉子蒸發冷卻，基于計算流體力學方法，建立霧滴與空氣的傳熱傳質物理模型，對轉子噴霧冷卻系統進行數值模擬。研究表明，相變傳熱方式冷卻效率高，轉子的溫度分布均勻，提高了高速永磁電機轉子運行的可靠性和穩定性。本文提供的轉子蒸發冷卻計算方法，為蒸發冷卻技術在大功率高速永磁電機轉子冷卻的應用提供理論依據。

關鍵詞：

高速電機；空心轉子；計算流體力學；蒸發冷卻

1引言

高速電機的發展追求高速、緊湊以達到高功率密度，但溫升散熱和機械方面是提升功率和速度的制約。永磁電機以功率密度高、轉速范圍大等優點成為高速電機的首選。對于高速永磁電機特別是大功率電機而言，轉子結構多采用碳纖維護套保護永磁體，在高功率密度下散熱困難，而轉子溫升過高易造成永磁體發生不可逆退磁[1]，轉子的有效冷卻是大功率高速電機長期穩定運行的關鍵問題。目前，高速電機轉子常用的冷卻方式為風冷和水冷[2-4]。文獻[2]和[3]分別為640kW，10000r/min和2030kW，22500r/min的高速永磁電機設計了風冷和水冷相結合的冷卻結構，在定子槽內開設軸向道冷卻轉子，機殼開設了的兩條并聯支路螺旋水路冷卻定子。文獻[5]利用高速電機本身高速特性提出在轉子直接加軸流風扇，結合內風道建立自散冷技術系統，該系統結構簡單，但風扇懸臂結構需要考慮轉子動力學性能。由于空氣的導熱性低，空冷方式對于大功率電機需加大風量，這必然引起風魔耗增加，降低電機效率。因此，常規冷卻方法（利用介質比熱吸熱）對于大功率高速電機存在冷卻效率不高，溫度梯度較大的不足。蒸發冷卻技術是利用流體沸騰時的汽化潛熱帶走熱量，由于流體的汽化潛熱比流體的比熱大很多，因此，蒸發冷卻是一種經濟高效的冷卻技術。我國對蒸發冷卻技術的理論研究和工業應用均處世界領先地位，中國科學院電工研究所首先開展了電機相變換熱技術的研究，并應用在水輪發電機、汽輪發電機及高能量密度電力電子設備上，取得了大量的工程實踐經驗和成果[6-13]。噴霧式蒸發冷卻作為一種新的技術形式，在紡織領域、核電站等工業場合有重要的應用，但蒸發冷卻技術在高速轉子冷卻方面的應用，還處在一個基礎實驗與理論研究的階段。本文以正在研制的1.2MW，18000r/min高速永磁電機為例，轉子采用噴霧直接蒸發冷卻方法，基于計算流體力學方法進行數值模擬，分析轉子直接蒸發冷卻的傳熱傳質過程及其影響因素，研究噴霧式直接蒸發冷卻技術應用于高速永磁電機轉子的可行性。

2高速永磁電機轉子結構

高速永磁電機轉子結構如圖1所示，轉子為表貼式空心轉子，保護套為碳纖維與玻璃絲纖維混合護套并與永磁體之間過盈配合，永磁體圓周方向分塊，轉軸為空心結構內插噴霧裝置。電機冷卻方式為定子水冷，轉子噴霧蒸發冷卻。轉子的材料屬性見表1所示。

3轉子蒸發冷卻數值模擬

3.1蒸發冷卻數值分析

轉子有限元模型見圖2。考慮轉子結構的對稱性，取空心轉子二維截面的2/1作為計算域，包括轉子固體域和冷卻介質的流體域。基于計算流體力學（CFD)，通過離散相模型，對氣相流場中的液滴顆粒相變吸熱傳質過程進行離散求解，采用基于歐拉-拉格朗日的離散相模擬噴霧場，在拉格朗日坐標下通過對單顆粒受力平衡方程積分來得到離散相顆粒的軌道方程。流體相求解時均按N-S方程連續相來處理，湍流模型采用k雙方程模型。首先計算連續相流場，在此基礎上計算離散相，然后通過顆粒源相將更新結果代入離散相，再次重復以上計算，直到收斂。

3.2邊界條件

模擬計算中邊界條件將分為6類：入口邊界、出口邊界、對稱邊界、固體域旋轉邊界、熱源邊界，其他均為絕熱邊界如圖2所示。連續相入口邊界條件為速度0.3m/s，溫度為26℃；連續相出口邊界條件設定為空氣相對壓力為0，溫度為26℃；轉子損耗為3.5kW；轉速18000r/min。離散相在轉子中心線沿軸向布置，在軸向0.7m范圍內布置4個平口霧化噴嘴，噴嘴布置如圖2所示。數值模擬計算結果如圖3所示。由圖3蒸發冷卻空心轉子的數值模擬可知，整個轉子溫度場分布表現為靠近轉子連續相進口位置的溫度最高，為125.6℃，轉子的徑向溫度分布較均勻，溫度梯度較小，但轉子在a、b、c三處溫度有明顯的降低。原因如下：（1）由圖4、圖5可知水霧經噴嘴噴射到空心轉子內撞到轉子內壁后，霧滴運動受到阻礙，導致在圖3中a、b、c所對應位置處形成漩渦，這種漩渦使轉子內表面與流體之間熱量充分交換，增強了換熱能力，所以在a、b、c三處溫度有明顯的下降。（2）高速霧滴噴出后推動漩渦沿軸向運動，致使圖3中c點處霧滴比例不斷增加，進一步增強了換熱能力，所以c點位置處溫度進一步降低。（3）當霧滴溫度達到壓力所對應的飽和溫度時，冷卻介質水滴由液體單相吸熱轉為相變換熱[3]，從而帶走大量的熱，冷卻轉子。

3.3不同轉速對蒸發冷卻效果的影響

計算轉子在靜止、16000r/min、40000r/min的不同轉速下蒸發冷卻效果（見圖6）。由圖6可知，轉子在3種不同轉速下，其溫度分布趨勢相同，最高溫度分別為126℃、125.6℃和125℃。圖7為粒子速度分布，圖8為粒子軌跡分布。從圖7、圖8可以看出粒子速度分布及軌跡分布在3種轉速下無顯著變化，且3種轉速下溫差小于1℃，故可見轉子轉速對蒸發冷卻的效果影響不大。

3.4不同連續相入口速度對蒸發冷卻效果的影響

轉子連續相入口速度分別為0.3m/s、1.5m/s、3m/s、10m/s時蒸發冷卻計算結果見圖9所示。由圖9可知，轉子在4種不同連續相入口速度下，轉子入口處溫度有較大差異。其中0.3m/s時，轉子最高溫度為126℃；1.5m/s時，轉子最高溫度262℃；3m/s時，轉子最高溫度為221℃；10m/s時，轉子最高溫度為197℃。從圖10、圖11可以看出隨著連續相入口速度增加，會推動漩渦也沿著軸向移動，致使轉子連續相入口處的散熱能力較有漩渦處明顯下降，使其溫度明顯上升，4種連續相入口速度下最大溫差超過140℃。所以連續相入口速度對蒸發冷卻的效果有很大的影響。要控制介質入口速度變化對蒸發冷卻的干擾。

4轉子不同冷卻方式比較

空心永磁轉子采用蒸發冷卻、空氣冷卻、水冷卻三種方式同在轉子損耗為3.5kW情況下進行冷卻對比分析。

4.1空氣冷卻數值分析

空氣入口邊界條件設定為風速20m/s，風溫為26℃；空氣出口邊界條件設定為相對壓力0MPa，風溫為26℃；這里忽略風冷增加的風魔耗，數值模擬結果如圖12所示。由圖12數值模擬結果可知，空氣冷卻空心轉子時，整個轉子的溫度分布為中間高而兩端低，在靠近整個轉子的中間部位溫度最高，為139℃，由于采用空氣冷卻空心轉子，轉子中間部位壓降小于兩端壓降如圖13所示，使其靠近邊界層處的空氣速度低于兩端的空氣速度，所以轉子中間部分的散熱能力小于轉子兩端的散熱能力。

4.2水冷卻數值分析

水入口邊界條件設定為質量流量0.08kg/s，水溫為26℃；水出口邊界條件設定為相對壓力為0MPa，水溫為26℃。數值模擬結果如圖14所示。由圖14計算結果可知，采用水冷方法，整個轉子的溫度分布梯度較大，轉子在靠近水出口端位置的溫度最高，為140℃。如圖15所示，轉子靠近邊界層處的水的流速逐漸降低，故轉子溫度場表現為從水進口端到水出口端溫度逐漸升高。三種不同冷卻方式的數值模擬結果對比如圖16所示。在相同熱功率作用下，空心轉子采用蒸發冷卻方式遠好于采用空冷、水冷的冷卻方式，且采用蒸發冷卻方式轉子沿軸向溫差可小于10℃，軸向溫差分布較均勻，這樣可以有效避免因軸向溫差變化較大導致的轉子熱變形。如果增大風量或水量也能達到蒸發冷卻轉子時的冷卻效果，但增大風速或者水量會產生新的阻力和損耗。

5結論

針對1.2MW高速永磁電機，轉子采用計算流體力學方法模擬噴霧蒸發冷卻系統傳熱過程，得到如下結論：（1）高速電機轉子轉速的變化對蒸發冷卻效果影響不大，但冷卻介質入口速度對其冷卻效果有很大影響，增大其速度會降低冷卻效果。（2）與傳統的空氣冷卻和水冷卻相比，轉子蒸發冷卻效果明顯優于前兩者，且轉子溫度分布均勻，避免轉子發生熱變形，有利于轉子穩定運行。本文的分析對于大功率的高速電機轉子蒸發冷卻設計提供理論依據。（3）高速永磁電機轉子蒸發冷卻的產業化應用仍需要進一步探究，如高速下對轉子的擾動問題，噴霧蒸發冷卻的控制及優化問題。

參考文獻：

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作者:王天煜 溫福強 馬振杰 單位:沈陽工程學院機械學院