張鳳閣 蔣曉東 李應(yīng)光

摘 要：為了降低籠障轉(zhuǎn)子無刷雙饋電機的溫升，進一步提高其功率密度，提出采用水冷方式替代風扇冷卻對該種新型電機進行冷卻系統(tǒng)設(shè)計。建立水冷系統(tǒng)解析計算模型，分別設(shè)計了軸向和螺旋兩種水路結(jié)構(gòu)，計算兩種水路結(jié)構(gòu)機殼表面溫度，并對兩種水路結(jié)構(gòu)進行對比分析。選取無刷雙饋電機周向1/6區(qū)域作為研究對象，建立三維穩(wěn)態(tài)溫度場物理模型，通過采用有限元方法計算了電機各部分的溫升分布，并對結(jié)果進行詳細分析。最后將有限元計算結(jié)果與解析結(jié)果進行對比，驗證了螺旋水路冷卻方案設(shè)計的有效性，為后續(xù)水冷樣機的研制和進一步實驗研究提供理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：籠障轉(zhuǎn)子；無刷雙饋電機；解析模型；冷卻系統(tǒng)；螺旋水路

中圖分類號：TM 352

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）06-0070-07

Abstract：For reducing the temperature rise of brushless doublyfed machine with cagebarrier rotor and improving the power density further， water cooling mode is put forward instead of fan cooling to design the cooling system. The analytical calculation model of water cooling system was established. The structures of axial and spiral water road were designed respectively. The temperature of casing surface was calculated. The advantages and disadvantages of two kinds of water road structure were compared and analyzed. Circumferential 1/6 structure of BDFM with cagebarrier rotor was taken as research object and 3D temperature field physical model was established. The temperature rise distribution of each parts of electrical machine were calculated by using finite element method and the results were analyzed in detail. Finally the numerical calculation results were compared with analytical calculation results and the effectiveness of cooling design scheme of spiral water road was verified. It provides theoretical basis for the development and further experimental research of subsequent watercooled prototype machine.

Keywords：brushless doublyfed machine； cagebarrier rotor； analytical model； cooling system； spiral water road

0 引 言

無刷雙饋電機（brushless doublyfed machine，BDFM）是一種新型結(jié)構(gòu)的電機，其結(jié)構(gòu)取消了電刷和滑環(huán)，降低了電機維護成本，增強了電機運行時的可靠性和安全性，在變速恒頻恒壓發(fā)電和大容量變頻調(diào)速系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用前景[1-3]。

BDFM定子上嵌有極數(shù)不同的兩套繞組，分別為控制繞組和功率繞組，運行時功率繞組與電網(wǎng)直接相連，控制繞組通過變頻器與電網(wǎng)相連。BDFM兩套繞組通過特殊轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)磁場調(diào)制作用進行耦合，轉(zhuǎn)子起著“極數(shù)轉(zhuǎn)換器”的作用，轉(zhuǎn)子性能的好壞直接決定著電機的功率密度和效率。

然而該種電機諧波磁場較為豐富，損耗較大，溫升問題尤為突出，直接影響到電機運行時的性能指標，并且限制了電機功率密度的進一步提高，因此有必要對該種電機的溫度場和冷卻方式進行研究。

目前國內(nèi)外專家學(xué)者對電機溫度場進行了大量的研究工作[4-7]。文獻[8]基于流體力學(xué)理論研究了水冷電機冷卻水流速與電機內(nèi)部溫度的關(guān)系。丁樹業(yè)[9]等以一臺2.5 MW永磁風力發(fā)電機為例，通過改變電機徑向通風溝結(jié)構(gòu)尺寸，提出4種優(yōu)化方案，比較不同方案冷卻性能，給出了最佳的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。浙江大學(xué)何偉超[10]等針對高功率密度電動汽車驅(qū)動電機存在溫升較高的問題，提出一種高效率并聯(lián)V型水冷結(jié)構(gòu)，并分析了該種電機的溫升分布情況。文獻[11]研究了軸徑混合結(jié)構(gòu)雙饋異步發(fā)電機的通風散熱問題，分析了轉(zhuǎn)速和徑向風道結(jié)構(gòu)尺寸對流量分布的影響規(guī)律。哈爾濱工業(yè)大學(xué)梁培鑫[12]等對軸向“Z”字型和螺旋水路進行了對比研究，給出了水冷電機水路的選擇原則。文獻[13]針對高能量密度電機發(fā)熱嚴重問題，提出定子機殼內(nèi)“S”型水槽的設(shè)計觀點。文獻[14]以一臺1.5 MW風力發(fā)電機為例，進行了冷卻系統(tǒng)的設(shè)計，考察了風速﹑翅片等參數(shù)的相互影響。綜上所述，目前針對籠障轉(zhuǎn)子BDFM冷卻系統(tǒng)設(shè)計的研究相對較少。

本文以籠障轉(zhuǎn)子BDFM為研究對象，采用解析方法分別設(shè)計了軸向和螺旋兩種水路冷卻結(jié)構(gòu)，對比分析了兩種水路結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點，建立了螺旋水路冷卻方式電機溫度場計算模型，采用有限元方法計算電機各部分溫升分布。最后通過比較解析和有限元兩種方法計算得到的水冷電機溫升，驗證了籠障轉(zhuǎn)子BDFM冷卻系統(tǒng)設(shè)計的有效性，為后續(xù)水冷樣機的研制提供了理論基礎(chǔ)。

1 電機結(jié)構(gòu)

籠障轉(zhuǎn)子BDFM采用一種由磁障式疊片和籠型繞組組成的復(fù)合式籠障轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖1所示，樣機參數(shù)見表1所示。

2 水冷系統(tǒng)設(shè)計

目前針對電機應(yīng)用范圍最廣的冷卻技術(shù)是機殼外表面水冷技術(shù)。即在機殼外表面開水道，在上面套一外殼，將水道密封起來，分別打通進水口和出水口，冷卻水就可以在機殼外表面和外殼內(nèi)表面之間流動，帶走電機熱量，起到冷卻效果。

對于水冷系統(tǒng)，按水流的流動方式分為軸向水冷方式和周向水冷方式兩種，其中螺旋結(jié)構(gòu)是周向水冷方式應(yīng)用最為廣泛的一種結(jié)構(gòu)，兩種冷卻結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

分別采用軸向和螺旋兩種水路結(jié)構(gòu)對籠障轉(zhuǎn)子BDFM進行冷卻系統(tǒng)設(shè)計，并進行對比分析。

2.1 軸向水路結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)電機結(jié)構(gòu)參數(shù)，定子機殼外徑D1=430 mm，內(nèi)徑Dil=400 mm，擬設(shè)計水槽段長度H=290 mm。

設(shè)計要求：進水口溫度tin≤30 ℃，出水口溫度tout≤35 ℃，機殼溫度≤40 ℃，進出水口在同一端。

2.1.1 水路參數(shù)確定

根據(jù)電機電磁設(shè)計的結(jié)果，損耗分布如表2所示。

設(shè)水道個數(shù)為n，其截面形狀近似矩形。設(shè)截面平均長為a，高為b，隔板寬度為c，則有ab=450 mm2，n（a+c）=π（400+430）/2 mm，b<（430-400）/2=15 mm。

由于電機進出水口在同一側(cè)，n選擇偶數(shù)。初步確定b=5 mm，a=90 mm，n=12，c=18 mm，由于水道數(shù)目是12，所以每個隔板中心線夾角為30 ℃。其結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸如圖3所示。

2.1.2 冷卻水帶走熱量計算

1）水路相關(guān)數(shù)據(jù)。

根據(jù)流體受迫流動準則得到流體雷諾數(shù)為

水流及水槽相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)式（3）～式（5）得到散熱系數(shù)α=3 737.5 W/（m2·K）由式（7）得到T=34.22 ℃<40 ℃，滿足設(shè)計要求。

3）冷卻水帶走熱量計算。

由公式

2.2 螺旋水路結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 水路參數(shù)確定

螺旋水路冷卻結(jié)構(gòu)水道截面尺寸的確定方法與軸向水路設(shè)計方法相同，預(yù)設(shè)水道設(shè)計段H為240 mm，h1為8 mm。水道嵌入機殼后，其截面形狀為矩形，假設(shè)水道的圈數(shù)為n，水道寬為a，高為b，隔板的寬度為c，如圖4所示。

通過比較試設(shè)a值，算出b和c值，最后確定a=50 mm，b=9 mm，c=6 mm，n=4。

2.2.2 冷卻水帶走熱量計算

經(jīng)過計算，水流及水槽相關(guān)數(shù)據(jù)如表4所示。

由公式（3）～式（5）得到散熱系數(shù)α=5 471.8 W/（m2·K）根據(jù)公式（7）得出電機機殼溫度33.92 ℃，其值小于40 ℃，滿足設(shè)計要求。冷卻水帶走熱量6 090 W，滿足散熱要求。

2.3 水路結(jié)構(gòu)比較

對比上述兩種水路結(jié)構(gòu)的散熱情況可知，螺旋水路的散熱系數(shù)要大于軸向水路。考慮到水泵的輸出功率，選擇哪種水路結(jié)構(gòu)主要依據(jù)進出口水壓差的大小，其與水路阻力密切相關(guān)，因此只要計算出兩種結(jié)構(gòu)的水路阻力就能比較進出口的水壓差。

水路阻力分為沿程阻力和局部阻力，沿程阻力是與流體流過的路程﹑流速及水路截面尺寸有關(guān)的物理量，計算公式如下表示：

根據(jù)上述水道阻力的計算公式，分別得到兩種水路阻力的計算結(jié)果，見表5所示。

由表5可知，軸向水路沿程阻力占總阻力的34%，螺旋水路沿程阻力占總阻力的82%。軸向水路和螺旋水路的沿程阻力相差不大，近似相同，這是因為根據(jù)式（9）推導(dǎo)得到

其中k1—比例系數(shù)，與密度、比熱容、水路直徑、總損耗和軸向長度有關(guān)。

從上式中可知影響沿程阻力大小的主要因素是（ab）3項，即水道的橫截面積。由于所設(shè)計的軸向水路與螺旋水路橫截面積相同，因此沿程阻力近似相等。同時發(fā)現(xiàn)軸向水路局部阻力大于螺旋水路，因此軸向水路需要水泵提供的輸出功率更大。所以，選擇螺旋水路作為BDFM水冷結(jié)構(gòu)要比采用軸向水路有利。

3 電機三維溫度場數(shù)值計算

3.1 物理模型

根據(jù)籠障轉(zhuǎn)子BDFM的結(jié)構(gòu)特點，選取電機1/6圓周，整個軸向定轉(zhuǎn)子鐵心、功率繞組、控制繞組、短路和公共籠條及轉(zhuǎn)軸為研究對象，建立三維溫度場物理模型，如圖5所示，各部分材料導(dǎo)熱系數(shù)見表6所示。

3.2 溫度場計算結(jié)果分析

籠障轉(zhuǎn)子BDFM繞組溫度分布如圖6和圖7所示。

由圖6和圖7可知，功率繞組最高溫度為95.643 ℃，最低溫度為69.232 ℃；控制繞組最高溫度是95.336 ℃，最低溫度是67.723 ℃。兩套繞組最高溫度均位于端部區(qū)域，表明端部繞組散熱能力較弱。

定轉(zhuǎn)子溫度如圖8和圖9所示。

由圖8可知，定子齒部溫度最高，達到了84.493 ℃，軛部溫度最低為40.698 ℃，并且隨著徑向高度的增加溫度逐漸降低。由圖9可知，轉(zhuǎn)子溫度最高集中在公共籠條和短路籠條端部，達到了83.776 ℃。轉(zhuǎn)子磁障表面端部溫度較高，達到了82.376 ℃，中間溫度相對較低，最低為71.261 ℃。這是因為轉(zhuǎn)子兩端靠近籠條端部區(qū)域，溫升較高；相鄰導(dǎo)磁層之間設(shè)有通風溝，溝內(nèi)風速較大，以至于轉(zhuǎn)子表面散熱系數(shù)較大，溫度與轉(zhuǎn)子端部相比較低。

機殼溫度分布如圖10所示。

由圖10可知，端蓋最高溫度為52.167 ℃，位于轉(zhuǎn)軸與端蓋接觸處，并且沿徑向高度溫度逐漸降低。螺旋水道內(nèi)部溫度在40 ℃左右，機殼表面其他部位溫度較低，在34.051 ℃～38.077 ℃之間。通過與解析計算結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)兩種方法計算得到的機殼表面溫度基本接近，驗證了所選取的螺旋水道設(shè)計的正確性。

4 結(jié) 論

本文通過對籠障轉(zhuǎn)子BDFM冷卻系統(tǒng)的設(shè)計與分析，得出以下結(jié)論：

1）經(jīng)解析計算發(fā)現(xiàn)軸向水路局部阻力明顯大于沿程阻力，考慮到水泵的功率輸出，因此選擇螺旋水路作為籠障轉(zhuǎn)子BDFM的冷卻結(jié)構(gòu)。

2）軸向水路和螺旋水路的沿程阻力相差不大，主要與水路橫截面積有關(guān)。在水路直徑和軸向長度相同的條件下，水路橫截面積越大，局部阻力越小。

3）通過有限元計算可知，采用螺旋水道冷卻方式電機機殼表面溫度小于40 ℃，滿足設(shè)計要求，并與解析方法計算得出的機殼表面溫度一致，驗證了籠障轉(zhuǎn)子BDFM螺旋水路冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性和有效性，為后續(xù)水冷樣機的研制提供理論依據(jù)。

參 考 文 獻：

[1] 程源， 王雪帆， 婁振袖， 等.繞線轉(zhuǎn)子無刷雙饋發(fā)電機電磁設(shè)計特點及其性能分析[J].電工技術(shù)學(xué)報， 2013， 28（2）： 395.

CHENG Yuan， WANG Xuefan， LOU Zhenxiu，et al. Electromagnetic design feature and performance analysis of woundrotor brushless doublyfed machine asgenerator[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2013，28（2）： 395.

[2] 劉慧娟，XU Longya. 一種徑向疊片磁障式轉(zhuǎn)子雙饋電機的設(shè)計與性能分析[J].電工技術(shù)學(xué)報， 2012， 27（7）： 55.

LIU Huijuan，XU Longya.Design and performance analysis of a doubly excited brushless machine with radially laminated magnetic barrier rotor[J]. Transactions of China Electrotechnical Society， 2012， 27（7）： 55.

[3] KNIGHT A M，BETZ R E，DORRELL D G.Design and analysis of brussless doubly fed reluctance machines[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2013，49（1）： 50.

[4] 李偉力， 丁樹業(yè)， 靳慧勇，等.基于耦合場的大型同步發(fā)電機定子溫度場的數(shù)值計算[J].中國電機工程學(xué)報， 2005， 25（13）： 129.

LI Weili，DING Shuye，JIN Huiyong， et al. Numerical calculation of large synchronous generator stator temperature fields based on coupled fields[J].Proceedings of the CSEE，2005，25（13）：129.

[5] 丁樹業(yè)， 孫兆瓊， 苗立杰， 等.大型發(fā)電機定子主絕緣溫度場數(shù)值研究[J].電機與控制學(xué)報， 2010， 7（14）： 53.

DING Shuye， SUN Zhaoqiong， MIAO Lijie， et al. Numerical investigation of stator main insulation temperature field for large generator[J]. Electric Machines and Control，2010，7（14）： 53.

[6] 丁樹業(yè)， 孟凡東， 葛云中，等.核主泵屏蔽電機溫度場研究[J].中國電機工程學(xué)報， 2012， 32（36）： 149.

DING Shuye， MENG Fandong， GE Yunzhong， et al.Temperorature field investigation of canned primary pump motors in nuclear power stations[J]. Proceedings of the CSEE，2012，32（36）：149.

[7] 謝穎， 辜承林.籠型感應(yīng)電動機三維全域溫度場計算[J].中國電機工程學(xué)報， 2012， 32（36）： 96.

XIE Ying， GU Chenglin. Calculation of 3D whole domain thermal fields of squirrelcage induction motors[J]. Proceedings of the CSEE，2012， 32（36）： 96.

[8] 李翠萍， 柴鳳 ，程樹康.冷卻水流速對汽車水冷電機溫升影響研究[J].電機與控制學(xué)報， 2012， 16（9）： 1.

LI Cuiping， CHAI Feng， CHENG Shukang. Research on the effects of cooling water velocity on temperature rise of the watercooled motor in electric vehicles[J]. Electric Machines and Control，2012，16（9）：1.

[9] 丁樹業(yè)， 郭保成， 孫兆瓊. 永磁風力發(fā)電機通風結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能分析[J].中國電機工程學(xué)報， 2013， 33（9）：122.

DING Shuye，GUO Baocheng，SUN Zhaoqiong. Ventilation structure optimization and performance analyses of permanent magnet wind generators[J]. Proceedings of the CSEE，2013，33（9）：122.

[10] 和偉超， 吳建華. 電動汽車驅(qū)動電機水冷系統(tǒng)的設(shè)計及其溫度場分析[J].輕工機械， 2013， 31（5）： 19.

HE Weichao， WU Jianhua. Water cooling system design and thermal analysis for electrical vehicle driving motors[J]. Light Industry Machinery，2013，31（5）：19.

[11] 張志強， 戈寶軍， 呂艷玲， 等. 雙饋異步發(fā)電機通風冷卻綜合計算[J].電機與控制學(xué)報， 2013， 16（4）： 36.

ZHANG Zhiqiang， GE Baojun， L Yanling， et al. Comprehensive calculation on ventilation and cooling of doublyfed induction generator[J]. Electric Machines and Control，2013，16（4）： 36.

[12] 梁培鑫， 柴鳳 ，李翠萍.水冷電機水路設(shè)計的研究[J].微電機， 2013， 46（5）： 1.

LIANG Peixin， CHAI Feng， LI Cuiping. Research of water jacket design for watercooling motor[J]. Micromotors，2013，46（5）： 1.

[13] 吳桂珍， 孟大偉， 許明宇.高能量密度水冷電機冷卻系統(tǒng)設(shè)計與熱力計算[J].防爆電機， 2008， 43（3）： 1.

WU Guizhen， MENG Dawei， XU Mingyu. Design of cooling system and calculation of heating on water cooled motor with high energy density[J]. Explosionproof Electric Machine，2008，43（3）： 1.

[14] 蔣彥龍， 元偉偉， 張秋， 等.MW級風力發(fā)電機水冷系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報， 2008， 40（2）： 199.

JIANG Yanlong， YUAN Weiwei， ZHANG Qiu， et al.Cooling system optimum design in MW wind tubines[J].Journal of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2008，40（2）： 199.

[15] 魏永田， 孟大偉， 溫嘉斌. 電機內(nèi)熱交換[M].北京： 機械工業(yè)出版社，1998.

（編輯：賈志超）