高速永磁电机转子蒸发冷却系统探究范文

《大电机技术杂志》2016年第4期

摘要：

对于大功率高速永磁电机，在高功率密度下转子散热困难，易造成永磁体发生不可逆退磁。为了解决转子的有效冷却问题，采用喷雾式新型蒸发冷却技术，利用相变吸热原理实现空心永磁转子蒸发冷却，基于计算流体力学方法，建立雾滴与空气的传热传质物理模型，对转子喷雾冷却系统进行数值模拟。研究表明，相变传热方式冷却效率高，转子的温度分布均匀，提高了高速永磁电机转子运行的可靠性和稳定性。本文提供的转子蒸发冷却计算方法，为蒸发冷却技术在大功率高速永磁电机转子冷却的应用提供理论依据。

关键词：

高速电机；空心转子；计算流体力学；蒸发冷却

1引言

高速电机的发展追求高速、紧凑以达到高功率密度，但温升散热和机械方面是提升功率和速度的制约。永磁电机以功率密度高、转速范围大等优点成为高速电机的首选。对于高速永磁电机特别是大功率电机而言，转子结构多采用碳纤维护套保护永磁体，在高功率密度下散热困难，而转子温升过高易造成永磁体发生不可逆退磁[1]，转子的有效冷却是大功率高速电机长期稳定运行的关键问题。目前，高速电机转子常用的冷却方式为风冷和水冷[2-4]。文献[2]和[3]分别为640kW，10000r/min和2030kW，22500r/min的高速永磁电机设计了风冷和水冷相结合的冷却结构，在定子槽内开设轴向道冷却转子，机壳开设了的两条并联支路螺旋水路冷却定子。文献[5]利用高速电机本身高速特性提出在转子直接加轴流风扇，结合内风道建立自散冷技术系统，该系统结构简单，但风扇悬臂结构需要考虑转子动力学性能。由于空气的导热性低，空冷方式对于大功率电机需加大风量，这必然引起风魔耗增加，降低电机效率。因此，常规冷却方法（利用介质比热吸热）对于大功率高速电机存在冷却效率不高，温度梯度较大的不足。蒸发冷却技术是利用流体沸腾时的汽化潜热带走热量，由于流体的汽化潜热比流体的比热大很多，因此，蒸发冷却是一种经济高效的冷却技术。我国对蒸发冷却技术的理论研究和工业应用均处世界领先地位，中国科学院电工研究所首先开展了电机相变换热技术的研究，并应用在水轮发电机、汽轮发电机及高能量密度电力电子设备上，取得了大量的工程实践经验和成果[6-13]。喷雾式蒸发冷却作为一种新的技术形式，在纺织领域、核电站等工业场合有重要的应用，但蒸发冷却技术在高速转子冷却方面的应用，还处在一个基础实验与理论研究的阶段。本文以正在研制的1.2MW，18000r/min高速永磁电机为例，转子采用喷雾直接蒸发冷却方法，基于计算流体力学方法进行数值模拟，分析转子直接蒸发冷却的传热传质过程及其影响因素，研究喷雾式直接蒸发冷却技术应用于高速永磁电机转子的可行性。

2高速永磁电机转子结构

高速永磁电机转子结构如图1所示，转子为表贴式空心转子，保护套为碳纤维与玻璃丝纤维混合护套并与永磁体之间过盈配合，永磁体圆周方向分块，转轴为空心结构内插喷雾装置。电机冷却方式为定子水冷，转子喷雾蒸发冷却。转子的材料属性见表1所示。

3转子蒸发冷却数值模拟

3.1蒸发冷却数值分析

转子有限元模型见图2。考虑转子结构的对称性，取空心转子二维截面的2/1作为计算域，包括转子固体域和冷却介质的流体域。基于计算流体力学（CFD)，通过离散相模型，对气相流场中的液滴颗粒相变吸热传质过程进行离散求解，采用基于欧拉-拉格朗日的离散相模拟喷雾场，在拉格朗日坐标下通过对单颗粒受力平衡方程积分来得到离散相颗粒的轨道方程。流体相求解时均按N-S方程连续相来处理，湍流模型采用k双方程模型。首先计算连续相流场，在此基础上计算离散相，然后通过颗粒源相将更新结果代入离散相，再次重复以上计算，直到收敛。

3.2边界条件

模拟计算中边界条件将分为6类：入口边界、出口边界、对称边界、固体域旋转边界、热源边界，其他均为绝热边界如图2所示。连续相入口边界条件为速度0.3m/s，温度为26℃；连续相出口边界条件设定为空气相对压力为0，温度为26℃；转子损耗为3.5kW；转速18000r/min。离散相在转子中心线沿轴向布置，在轴向0.7m范围内布置4个平口雾化喷嘴，喷嘴布置如图2所示。数值模拟计算结果如图3所示。由图3蒸发冷却空心转子的数值模拟可知，整个转子温度场分布表现为靠近转子连续相进口位置的温度最高，为125.6℃，转子的径向温度分布较均匀，温度梯度较小，但转子在a、b、c三处温度有明显的降低。原因如下：（1）由图4、图5可知水雾经喷嘴喷射到空心转子内撞到转子内壁后，雾滴运动受到阻碍，导致在图3中a、b、c所对应位置处形成漩涡，这种漩涡使转子内表面与流体之间热量充分交换，增强了换热能力，所以在a、b、c三处温度有明显的下降。（2）高速雾滴喷出后推动漩涡沿轴向运动，致使图3中c点处雾滴比例不断增加，进一步增强了换热能力，所以c点位置处温度进一步降低。（3）当雾滴温度达到压力所对应的饱和温度时，冷却介质水滴由液体单相吸热转为相变换热[3]，从而带走大量的热，冷却转子。

3.3不同转速对蒸发冷却效果的影响

计算转子在静止、16000r/min、40000r/min的不同转速下蒸发冷却效果（见图6）。由图6可知，转子在3种不同转速下，其温度分布趋势相同，最高温度分别为126℃、125.6℃和125℃。图7为粒子速度分布，图8为粒子轨迹分布。从图7、图8可以看出粒子速度分布及轨迹分布在3种转速下无显著变化，且3种转速下温差小于1℃，故可见转子转速对蒸发冷却的效果影响不大。

3.4不同连续相入口速度对蒸发冷却效果的影响

转子连续相入口速度分别为0.3m/s、1.5m/s、3m/s、10m/s时蒸发冷却计算结果见图9所示。由图9可知，转子在4种不同连续相入口速度下，转子入口处温度有较大差异。其中0.3m/s时，转子最高温度为126℃；1.5m/s时，转子最高温度262℃；3m/s时，转子最高温度为221℃；10m/s时，转子最高温度为197℃。从图10、图11可以看出随着连续相入口速度增加，会推动漩涡也沿着轴向移动，致使转子连续相入口处的散热能力较有漩涡处明显下降，使其温度明显上升，4种连续相入口速度下最大温差超过140℃。所以连续相入口速度对蒸发冷却的效果有很大的影响。要控制介质入口速度变化对蒸发冷却的干扰。

4转子不同冷却方式比较

空心永磁转子采用蒸发冷却、空气冷却、水冷却三种方式同在转子损耗为3.5kW情况下进行冷却对比分析。

4.1空气冷却数值分析

空气入口边界条件设定为风速20m/s，风温为26℃；空气出口边界条件设定为相对压力0MPa，风温为26℃；这里忽略风冷增加的风魔耗，数值模拟结果如图12所示。由图12数值模拟结果可知，空气冷却空心转子时，整个转子的温度分布为中间高而两端低，在靠近整个转子的中间部位温度最高，为139℃，由于采用空气冷却空心转子，转子中间部位压降小于两端压降如图13所示，使其靠近边界层处的空气速度低于两端的空气速度，所以转子中间部分的散热能力小于转子两端的散热能力。

4.2水冷却数值分析

水入口边界条件设定为质量流量0.08kg/s，水温为26℃；水出口边界条件设定为相对压力为0MPa，水温为26℃。数值模拟结果如图14所示。由图14计算结果可知，采用水冷方法，整个转子的温度分布梯度较大，转子在靠近水出口端位置的温度最高，为140℃。如图15所示，转子靠近边界层处的水的流速逐渐降低，故转子温度场表现为从水进口端到水出口端温度逐渐升高。三种不同冷却方式的数值模拟结果对比如图16所示。在相同热功率作用下，空心转子采用蒸发冷却方式远好于采用空冷、水冷的冷却方式，且采用蒸发冷却方式转子沿轴向温差可小于10℃，轴向温差分布较均匀，这样可以有效避免因轴向温差变化较大导致的转子热变形。如果增大风量或水量也能达到蒸发冷却转子时的冷却效果，但增大风速或者水量会产生新的阻力和损耗。

5结论

针对1.2MW高速永磁电机，转子采用计算流体力学方法模拟喷雾蒸发冷却系统传热过程，得到如下结论：（1）高速电机转子转速的变化对蒸发冷却效果影响不大，但冷却介质入口速度对其冷却效果有很大影响，增大其速度会降低冷却效果。（2）与传统的空气冷却和水冷却相比，转子蒸发冷却效果明显优于前两者，且转子温度分布均匀，避免转子发生热变形，有利于转子稳定运行。本文的分析对于大功率的高速电机转子蒸发冷却设计提供理论依据。（3）高速永磁电机转子蒸发冷却的产业化应用仍需要进一步探究，如高速下对转子的扰动问题，喷雾蒸发冷却的控制及优化问题。

参考文献：

[5]邢军强.高速永磁电机转子涡流损耗及通风散热研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2011.

[6]顾国彪，阮琳.蒸发冷却技术在水轮发电机领域的应用和发展[J]，中国电机工程学报，201434（29）：5112—5119.

[7]曹慧玲，余颐秦，齐承英，顾国彪.，田新东.蒸发冷却发电机内介质两相流及传热理论研究[J]，工程热物理学报，2001(22):153—156.

[8]国建鸿，傅德平，袁建华，等.300MW汽轮发电机强迫循环蒸发冷却定子绕组温升计算[J].中国电机工程学报，2008,28（26）：92-97.

[9]董海虹，顾国彪.汽轮发电机蒸发冷却系统的热力过程及评价[J].中国电机工程学报，2008,28（20）：137-141.

[10]刘长红，姚若萍.自循环蒸发冷却电机铁心与绕组间的热量传递[J]，中国电机工程学报，2008，28（11）：107—112.

[11]郭朝红，董海虹，余顺周，等.蒸发冷却汽轮发电机中两相流型的过度准则[J].中国电机工程学报，2007,27（17）：67-71.

[12]栾如，傅德平，唐龙尧.新型浸润式蒸发冷却电机定子三维温度场的研究[J]，中国电机工程学报，2004，24（8）：205—209.

[14]阮琳，顾国彪.蒸发冷却技术的发展进步及现存技术难点[J]，电气时代，2001(7):31—34.

[15]陶垚.喷雾直接蒸发冷却过程数值模拟与试验研究[N].重庆大学城市建设与环境工程学院，2014.

作者:王天煜 温福强 马振杰 单位:沈阳工程学院机械学院