4 高速电励磁双凸极电机的温升
电机冷却系统的作用是通过冷却介质对电机的发热表面进行冷却,保护电机不会因发热而受损,提高了电机运行的可靠性。电机的冷却方式主要分为以下四类:空冷、氢冷、液冷、蒸发冷却。本文采用水冷对高速电励磁双凸极电机进行冷却,常用的水路结构有轴向Z字形水路和周向螺旋型水路,由于周向螺旋形水路局部阻力损失小,不会造成三相绕组温度不一致,因此采用轴向螺旋型,其结构如图11所示。
图11 周向螺旋形水路
电机运行过程中产生的各种损耗最终都将转化为热能,使电机铁心、绕组以及周围附件的温度上升。电机内部温度分布不均匀,如过载运行时平均温升虽为允许值,但电机热点温度可能很高,导致局部绝缘老化、击穿而损坏电机。近年来,对电机经济技术指标的要求越来越高,设计电机时,需要更全面地了解内部的温度分布及变化情况,得到其热特性,以便合理选择绝缘材料以及、优化电机设计以提高电机使用寿命。
ANSYS作为一个通用的多用途有限元分析软件,可以实现流体—热耦合仿真,通过软件内的热分析模块能很方便地对电机温度场进行分析,得到电机内部各点的温度变化情况。
本文选用湍流k-e模型,设置入口为速度入口,出口为压力出口,图12为水路流速,进口到出口保持不变;图13为水路压降。在Static Thermal中通过Imported Load导入经Fluent计算得到的水路换热系数,分别对定转子及绕组加载热载荷,仿真得到电机整体温升,如图14-17所示。
图12 水路流速
图13 水路压降
图14 电机整体温度场
图15 定子温度场
图16 绕组温度场
图17 转子温度场
电机整体最高温度为359.22℃,出现在转子上,这是因为转子本身的铁损转造成转子温升,转子距离水路较远,无法得到有效冷却,因此选用的转子材料应具有耐高温特性或者对转子进行喷洒冷却,以降低电机内部温度,另外由于电机内主轴两端的不对性,导致转子左右两端温度不对称现象。定子和绕组靠近循环水路,所以温度较转子温度低,最高温在150℃左右,电机循环水冷起到了很好的冷却作用。
5 结论
本文在高速电励磁双凸极电机电磁设计的基础上,利用Static Structural对电机转子进行了静力学仿真,仿真结果用于转子材料的选择和转子齿形的优化。另外利用Fluent和Static Thermal对电机的水冷系统进行了验证,仿真得到电机的整体温升,用以改善电机的冷却设计,选择合适的电机材料。