矿用防爆电机冷却系统数值模拟计算及传热分析.pdf

收稿日期2023-03-18作者简介王晓俊(1986),男,硕士,高级工程师,现从事电机研发设计、多物理场仿真分析工作。矿用防爆电机冷却系统数值模拟计算及传热分析王晓俊1,王小雪2,吴宣东1,王一品1(1.卧龙电气南阳防爆集团股份有限公司,河南南阳 473008;2.中国航发动力股份有限公司,陕西西安 710021)关键词防爆电机;冷却系统;数值模拟摘要为了研究矿用防爆电机的冷却系统和温度传递规律,采用 SIMPLE 算法和 RNG k-湍流模型,运用计算流体力学软件 Fluent 对一台 60 kW 矿用防爆电机全三维的内部冷却系统进行全域温度场模拟计算,重点研究了各部件的最高温度和温度分布特征,并进行了流动和传热分析。模拟结果有助于了解矿用电机的冷却换热特点和温度传递规律,评估现有机座方案散热效果,可为同类型电机冷却结构设计和热源分配的合理性提供理论支撑。中图分类号 TM357 文献标识码 A 文章编号1004-9118(2023)03-0005-04DOI:10.14023/ki.dqfb.2023.03.002Numerical Simulation and Heat Transfer Analysis on Cooling System of Ex Motor for Mining Wang Xiao jun1,Wang Xiao xue2,Wu Xuan dong1,Wang Yi pin1(1.Wolong Electric Nanyang Explosion Protection Group Co.,Ltd.,Nanyang Henan 473008;2.China Aviation Engine Co.,Ltd.,Xian Shaanxi 710021)Key words:Ex motor;cooling system;numerical simulationAbstract:In order to study the cooling system and heat transfer of the Ex motor for mining,SIM-PLE algorithm and RNG k-Turbulence model is used by Fluent to simulate the whole temperature field of the internal cooling system in a 60 kW Ex motor on three dimensional.Focusing on the maxi-mum temperature and temperature distribution of each component,the flow and heat transfer analysis is carried out.The simulation results help to understand the cooling and heat transfer characteristics and its rules,also helps to evaluate the heat dissipation effect and provide theoretical support.0引言随着计算流体力学(CFD)技术的飞速发展,更多的湍流模型和计算方法应用于电机内部的三维流动计算中,使人们对电机内部流场有了更深入的了解,给电机的数值模拟带来了更大的便利,数值分析方法是目前研究矿用防爆电机冷却系统和温度传递规律分布的重要手段。目前绝大多数异步电机都采用以空气为冷却介质的冷却系统,采用风扇强迫空气流动来冷却电机。而电机液冷结构比空冷复杂,仅在小体积、高功率密度、高速电机才会考虑采用液体冷却,但是液体热容量和导热能力远大于气体,冷却效果好,使电机维持在一个较低的温升水平。因此,矿用厂家采购时多选择水冷结构的防爆电机。针对异步电机的水冷系统研究,国内外学者取得了一定的研究成果。由于计算机条件的限制,不能真实地反应电机内部流体流动的实际状态,对电机冷却系统的流体流动情况难以准确地认识。同时,试验条件和测试方法的限制,也不能对电机冷却系统的流体流动状态有很好的测量和观察1。文献2-7利用 CFD 软件研究的重点是电机折返型5研发与设计矿用防爆电机冷却系统数值模拟计算及传热分析水道、螺旋水道等水冷结构的仿真计算。本文以一台 60 kW 矿用防爆电机为例,运用计算流体力学软件 Fluent 对矿用防爆电机全三维的内部流场数值模拟分析,采用有限体积的方法8,重点研究了水冷电机流动和散热情况,对电机进行通风散热仿真分析,并评估现有机座方案散热效果,观察定子绕组、机座和转子温度等部件的热分布特征,为电机研发方案设计提供理论依据。1冷却系统本文以 60 kW 防爆水冷电机为研究对象,电机机座水道模型如图 1 所示,电机基本参数以及电磁计算损耗值见表 1 和表 2。采用折返水冷结构,机座内水筒沿轴向均匀分布挡水条,在前后端盖进行封堵,电机壳体增加两个进出水口,实现冷却水沿轴向折返流动,对电机进行强迫对流换热。图 1电机机座水道模型表 1电机基本参数参数名称参数值功率/kW60电机效率/%93.5定子外径/mm290电机外径/mm359表 2 电磁计算损耗值位置损耗 P/W定子绕组损耗1 446定子铁芯损耗839转子绕组损耗1 203机械损耗545杂耗323总损耗4 3562CFD 分析2.1几何建模和网格划分电机机座几何模型主要包括:机座、挡水条和接线盒等部件,根据计算分析输入的基本假设,忽略电机螺栓连接件、小圆角和局部倒角等结构特征,采用 SolidWorks 2016 软件,简化建立仿真分析电机流场和温度场计算模型,计算模型如图 2所示。图 2温度场计算模型由于电机冷却系统比较复杂,将流体计算区域划分为固定部分(定子铁心、机座)和旋转部分(铸铝转子)两部分。采用 Fluent meshing19.1 软件,网格划分使用多面体网格生成方法,网格质量控制在 0.25 以上。2.2计算参数设定及边界处理根据电机的结构特征以及电机流动传热的特点,建立数学模型,做出基本假设,采用 ANSYS 有限元软件进行仿真模拟。根据电机的结构特征以及电机通风散热的特点,做出如下假设:(1)电机机座水道内部实行强迫对流换热,雷诺数很大(Re2 300),流体此时处于湍流流动状态,为了更好地处理电机内流场高度应变率以及流线弯曲度较大的流动,湍流模型选用 RNG-数学模型,壁面区域采用壁面函数法处理;(2)电机流体域中,流体流速远小于声速,即马赫数很小,故把流体作为不可压缩流体处理;(3)考虑电机通风道内流体的重力;(4)研究电机流体域流体流速的稳定状态,即定常流动,控制方程中不含有时间项;(5)旋转模拟采用多重参考坐标系模型,经过公司产品长期仿真分析验证,计算的精度有一定的保证;6电气防爆 2023 年 6 月第 3 期(6)压力耦合方程组采用 SMPLE 算法,其他方程均采用二阶迎风格式。3计算结果分析机座水道速度图如图 3 所示,该水路水速分布局部不均匀,内部存在漩涡,水在 90转弯流通处流动分离损失严重,不能充分利用,进行强制对流换热的效率不高。说明该水道的流动形状设计不是很合理,挡水条间隔距离太大,需要增加挡水条数量,减小间距,减小流动损失,可增强水冷机座的强制换热效果。图 3水道速度分布图电机的轴截面温度云图如图 4 所示,靠近机壳处温度最低,且沿径向温度梯度逐渐变大,转子处于一个高温区域状态,转子主要通过气隙向定子传导热量,气隙内的空气导热系数很小,气隙属于隔热层,因此转子热量不容易带走。其最高温度 170.2 。图 5 为转子导条的温度分布图,其温度变化范围为 163.9 170.1 ,平均温度168 ,温度分布相对集中。图 4电机轴截面温度云图电机绕组的温度分布如图 6 所示,绕组整体温 度 变 化 范 围 在 51 62.2 ,平 均 温 度57.8 。定子槽内绕组通过绝缘层与定子铁心接触,机座冷却水循环流动,可以进行直接强制换热,带走热量,所以直线部分绕组温度分布相对较绕组端部低。图 5导条温度云图图 6定子绕组温度云图机座的温度分布如图 7 所示,机座温度分布范围为 30 60 ,靠近进水口附近机壳温度较低,机壳温度基本与进口水温 30 一致,而靠近出水口一侧温度相对较其他区域高,这是因为折返式水道随着水在水道流动过程中因为进行了热量交换导致水的温度会升高,水温升高的地方与之对应的机壳温度也随着升高,越靠近出口位置一侧温度变得越高。出水温度为 36.6 ,进出口水温差为 6.6 。图 7机座温度云图 4结论(1)运用 Fluent 软件对 60 kW 矿用防爆电机冷却系统内部流场和温度场数值模拟分析,得到7研发与设计矿用防爆电机冷却系统数值模拟计算及传热分析电机各部件的最高温度和温度分布特征。有助于了解矿用电机的冷却换热特点和温度传递规律,评估了现有机座方案散热效果,给出了电机水道优化建议。(2)运用 CFD 仿真分析计算对电机冷却系统进行数值模拟指导企业研发设计是完全可行的。可以为电机冷却结构及其优化设计提供研发支撑,减少样机试制,节约开发成本。参考文献1苏鲍里先科.电机中的空气动力学与热传递M.魏书慈,邱建甫译.北京:机械工业出版社,1985.2吴柏禧,万珍平,张昆,等.考虑温度场和流场的永磁同步电机折返型冷却水道设计J.电工技术学报,2019,34(11):2306-2314.3吴琳,王宏光.水冷电机冷却系统设计与计算J.机械设计与制造,2008,(8):40-42.4佟文明,程雪斌.高速水冷永磁电机冷却系统分析J.电机与控制应用,2016,43(3):16-21.5田玉冬,王潇,张舟云,等.车用电机冷却系统热仿真及其优化J.机械设计与制造,2015(2):238-242.6张琪,王伟旭,黄苏融,等.高密度车用永磁电机流固耦合传热仿真分析J.电机与控制应用,2012,39(8):1-5.7刘婉,邹海荣,唐守杰,等.电动机环形水道冷却性能及流动特性分析J.上海电机学院学报,2015,18(4):227-231.8张建文,杨振亚,张政.流体流动与传热过程的数值模拟基础与应用M.北京:化学工业出版社,2008.(上接第 4 页)2.4.1机座配合面涂高导热硅脂虽然机座与铁心为过盈配合,但因机座内圆与铁心外圆加工精度不同,加工表面粗糙度不同,两者配合后总存在空隙,此部分空隙则由空气充满。而空气的导热系数约为机座壁或铁心硅钢片导热系数的 1/100,因此,空隙则大大影响了传热效果。因此,在机座与铁心之间增加导热性能优良的高导热硅脂,把机座与铁心之间的空隙填充满,高导热硅脂比机座壁或铁心硅钢片导热系数高,提高散热效果。2.4.2机座配合面增加铜金属箔铜金属箔较软,在装配挤压过程中能够增大机座与铁心之间的挤压应力,从而增大接触面积。因为在高的挤压应力下,接触表面产生了变形,原来离散的接触部分面积有所增大,原来不相互接触的部分有可能变成相互接触了,从而使两表面间接触部分以外的空隙减小,增加两者之间的接触面积,增加散热效果。3结论(1)通过数值模拟分析,可视化阐述了电机理想状态下电机内部流体的流动状态和温度场分布情况,且数据化显示了电机内部不同截面的风量分配情况以及内部各部件的平均温度;(2)通过对电机内部各接触热阻进行多方案温度场分析探索,机座与定子铁心接触面的接触热阻对电机内部各部件温度的影响最为明显,温度随接触热阻的变大几乎呈线性化升高;(3)电机机座与定子铁心接触面的接触热阻大小主要取决于配合接触面处的粗糙度和表面所受的挤压应力,因此在配合接触面处涂抹导热硅脂和增加铜金属箔能够有效增大导热系数和接触面积,增加散热效果,且这两种措施易操作、周期短。参考文献1杨世铭,陶文铨.传热学M.北京:高等教育出版社,2006.2张珂,许文治,张丽秀.接触热阻对高速电主轴热态特性影响研究J.组合机床与自动化加工技术,2018(04):23-28.3王艳武,杨立,孙丰瑞.接触热阻对异步电动机定子温度场影响分析J.微特电机,2009,37(02):26-27+55.4史林全,李强.高温条件下接触热阻的数值模拟与试验研究J.热科学与技术,2021,20(05):462-470.5韩冬,韩雪峰.国内关于接触热阻在有限元分析中的研究进展J.科技视界,2016(04):168,214.6王福军.计算流体动力学-CFD 软件原理应用M.北京:清华大学出版社,2004.7丁欣硕,焦楠.Fluent14.5 流体仿真计算从入门到精通M.北京:清华大学出版社,2014.8唐家鹏.FLUENT14.0 超级学习手册M.北京:人民邮电出版社,2013.8电气防爆 2023 年 6 月第 3 期