關(guān) 穎，李一凡，李明海

(1.大連交通大學(xué)機車車輛工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)(2.中車唐山機車車輛有限公司，河北 唐山 064000)

隨著近年來中國鐵路的高速發(fā)展，列車速度不斷提升，對高速列車提出了更高的要求。牽引電機作為動車組上的動力來源，其性能對動車組的安全、可靠性具有重要影響。在運行時，牽引電機將電能轉(zhuǎn)換為機械能的過程中總會有一定的能量損失，產(chǎn)生的熱能使電機整體溫度升高，從而使其內(nèi)部絕緣能力降低，影響電動機的效率，縮短使用壽命，嚴重時可能將電機燒毀。因此，電機的通風(fēng)散熱變得至關(guān)重要。采用高效、準確的計算機仿真計算技術(shù)，模擬電機內(nèi)的流場和溫度場可以提高設(shè)計的可靠性，縮短設(shè)計時間，降低設(shè)計成本。

對于軌道交通牽引電機冷卻系統(tǒng)，國內(nèi)外學(xué)者進行了相關(guān)研究，并取得了一定成果:文獻[1]建立牽引電機冷卻系統(tǒng)流固耦合傳熱仿真模型，研究冷卻液、電機損耗、入口溫度、水道寬度等對溫度場的影響；文獻[2]以一臺2.2 kW具有軟磁復(fù)合定子鐵心的盤式電機為例，采用有限體積元法對電機的電磁場、流體場和溫度場進行了耦合分析，為電機磁熱的有限元分析提供了一個系統(tǒng)的方法；文獻[3]采用等效熱路法和計算流體動力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)對比的方法對永磁同步電機進行溫升分析。

本文以動車組牽引電機為研究對象，基于計算流體動力學(xué)理論，對牽引電機內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬分析。

1 異步牽引電機通風(fēng)散熱原理

異步牽引電機的熱量主要包括銅損、鐵損、機械損耗、附加損耗等[4]。根據(jù)冷卻介質(zhì)的不同，可分為空冷和水冷等散熱形式。本文研究的異步電機采用強迫空冷散熱，電機模型及內(nèi)部冷卻空氣的流向如圖1和2所示。電機內(nèi)部包括轉(zhuǎn)軸、定子鐵心、轉(zhuǎn)子鐵心、繞組、永磁體、絕緣材料等?？諝鈴倪M風(fēng)口進入電機內(nèi)部后，分別通過定子通風(fēng)孔、轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔冷卻各發(fā)熱部件后，從另一端的出風(fēng)口流出。

圖1 電機三維模型

圖2 電機內(nèi)部模型

2 CFD計算分析前處理

2.1 計算模型與網(wǎng)格劃分

牽引電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要對三維實體模型進行合理簡化，利用流體計算軟件ANSYS Icepak建模時去掉沒有空氣流動部分等與計算不相關(guān)的部分，流場計算模型如圖3所示。轉(zhuǎn)子鐵心和定子鐵心上用沖模穿孔機壓出軸向通風(fēng)孔，分別為16個和50個。電機主要參數(shù)見表1。為滿足網(wǎng)格的疏密分布合理、光滑性和貼體性要求，選用六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格(hexa unstructured)進行劃分，采用局部細化、多極化網(wǎng)格Muliti-level控制等手段進行網(wǎng)格劃分[5]?？傮w網(wǎng)格數(shù)為933 052，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為930 930。

圖3 牽引電機流場計算模型

表1 電機結(jié)構(gòu)主要參數(shù)

2.2 理論分析

選用ANSYS Icepak提供的湍流模型中的標準 模型，且滿足質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程、K方程和ε方程[6-7]。利用基于有限體積法的FLUENT17.0對控制方程進行離散，分離求解器隱式求解。計算過程中能量離散方程殘差控制在10-7，其他方程殘差控制在10-3。

1)質(zhì)量守恒方程(連續(xù)性方程)。

(1)

式中：ρ為密度；t為時間；u，v，w為速度矢量u在x，y，z方向的分量。

2)動量守恒方程。

(2)

(3)

(4)

式中：p為作用在流體微元體上的壓力；τxx,τyx和τzx為黏性應(yīng)力τ作用在各個微元體表面上的黏性力分量；Fx，F(xiàn)y和Fz為作用在微元體的質(zhì)量力，當質(zhì)量力只有重力時，F(xiàn)x=0，F(xiàn)y=0，F(xiàn)z=-ρg，其中g(shù)為重力加速度。

3)能量守恒方程。

(5)

式中：cp為比熱容；T為溫度；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)；ST為流體的內(nèi)熱源及由于黏性作用流體機械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，有時簡稱ST為黏性耗散項。

2.3 邊界條件設(shè)置

根據(jù)異步牽引電動機的結(jié)構(gòu)特點和建立的計算模型，做出如下假設(shè):

1)只考慮溫度的平均效應(yīng)，即各熱源相對于該發(fā)熱部件平均分布；

2)將繞組作為整體進行模擬計算；

3)忽略在不同溫度下材料熱傳導(dǎo)屬性的變化；

4)將電機內(nèi)的空氣視作不可壓縮流體；

5)轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體上產(chǎn)生的損耗很少，熱源主要分布在定子繞組和定子鐵心上；

6)本文主要研究強迫風(fēng)冷的散熱方式，忽略熱輻射的影響。

綜合電機的參數(shù)選擇以及外界環(huán)境因素的影響，邊界條件設(shè)置如下：

1)進風(fēng)口總風(fēng)量1.2 m3/s；

2)環(huán)境溫度40 ℃；

3)定子鐵心熱損耗量10.5 kW,定子繞組熱損耗量37.6 kW；

4)入口為速度邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，為一個標準大氣壓；

5)雷諾數(shù)Re遠大于2 300，為湍流模型。

3 計算結(jié)果及分析

3.1 流場與溫度場分析

通過對定轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔流量配比的監(jiān)測，測得轉(zhuǎn)子16個通風(fēng)孔體積流量共為0.49 m3/s，占總流量的41.08%；定子50個通風(fēng)孔體積流量0.71 m3/s，占總流量的58.92%。圖4(a)顯示，溫度最高點出現(xiàn)在靠近進風(fēng)口的端部繞組處，最高溫度為214.22 ℃。此處溫度高的主要原因是進入電機的冷卻空氣還未進入細小的通風(fēng)孔，速度較低，冷卻效果較差。圖4(b)顯示，繞組平均溫度為201.07 ℃，與其他部件相比溫度整體偏高，這是繞組產(chǎn)生的損耗最大導(dǎo)致的；兩端部溫度高于中部，是因為兩端部無通風(fēng)孔，熱量不易散出所致。圖4(c)顯示，定子最高溫度為203.84 ℃，平均溫度為188.48 ℃，軸向溫度梯度不明顯，徑向靠近繞組側(cè)溫度大于靠近機殼處。圖4(d)顯示，轉(zhuǎn)子最高溫度為203.98 ℃，平均溫度為187.83 ℃，轉(zhuǎn)子徑向溫度梯度的產(chǎn)生主要是通過定子和繞組的熱傳導(dǎo)傳遞熱量，由內(nèi)到外溫度逐漸升高。

圖4 電機溫度場分布

3.2 空氣流量對溫度的影響

當流量為1.2 m3/s時，各部分溫度過高，影響電機正常運行。為研究進風(fēng)流量大小對電機溫升的影響，現(xiàn)保持發(fā)熱元件散熱量不變，分別設(shè)置從1.0 m3/s到5.0 m3/s、間隔為0.4 m3/s的進風(fēng)流量，得到繞組和定子最高溫度與進風(fēng)流量的關(guān)系曲線，如圖5所示。

從圖5中可以看出，隨著進風(fēng)流量增大，繞組和定子溫度逐漸降低，但與此同時，溫度降低的幅度也在逐漸減小，也就是當流量增大到一定的數(shù)值時，繼續(xù)增大流量，對電機降溫效果的提升并不明顯。考慮到經(jīng)濟性和風(fēng)機壓頭大小，在選擇風(fēng)機時并不是流量越大越好，而是應(yīng)該在滿足電機工作溫度的范圍內(nèi)，選擇適當流量的風(fēng)機。

圖5 進風(fēng)流量與各發(fā)熱部件最高溫度關(guān)系曲線

3.3 定轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔流量配比對溫度的影響

原始方案定子和轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔流量比值為1.43∶1。從3.1結(jié)果可知，最高溫度出現(xiàn)在繞組靠近進風(fēng)口端部位置，且繞組整體溫度高于其他部件，所以應(yīng)增大靠近繞組位置的冷卻流量，使其溫度降低。可以采用改變通風(fēng)孔面積的方法，提出兩種優(yōu)化方案：

1)定子孔半徑從13 mm增大到16 mm；

2)轉(zhuǎn)子孔半徑從18 mm減小到12 mm。

在保持其他條件不變的前提下，兩種優(yōu)化方案的仿真計算結(jié)果見表2、表3。

表2 原始方案與各優(yōu)化方案最高溫度對比 單位：℃

表3 原始方案與各優(yōu)化方案流量配比對比

與原始方案相比，兩種優(yōu)化方案的定子孔流量均有所增加，但是優(yōu)化方案一的溫度不降反升，這是因為優(yōu)化方案一采用的是擴大定子孔徑向面積的方法，流量增加的同時速度反而從原始的14.6 m/s減小為11.9 m/s，對流換熱系數(shù)h變小，根據(jù)公式q=h(Tw-T∞)[8],可知單位面積的固體表面與流體之間在單位時間交換的熱量因?qū)α鲹Q熱系數(shù)變小，導(dǎo)致電機溫度升高，其中q為熱流密度,Tw與T∞分別為固體表面和流體的溫度；優(yōu)化方案二是定子孔徑向面積不變，流量和速度均增大，各部分最高溫度均降低了8 ℃左右，因此建議采用優(yōu)化方案二。

3.4 熵產(chǎn)分析

熱力學(xué)第二定律揭示了自然界中一切熱過程進行的方向、條件和限度。熱力學(xué)第二定律的表述方式也很多。其中具有代表性的表述如下：不可能從單一熱源取熱使之完全轉(zhuǎn)換為有用的功而不產(chǎn)生其他影響。熵增加原理是熱力學(xué)第二定律的又一種表述：孤立系統(tǒng)的熵永不自動減少，熵在可逆過程中不變，在不可逆過程中增加。在自然過程中，一個孤立系統(tǒng)的總混亂度(熵)不會減小[8]。

傳熱過程中的不可逆損失即熵產(chǎn)。由冷卻空氣、牽引電機組成的系統(tǒng)中，氣流為低溫?zé)嵩?，單位時間熵產(chǎn)ΔSair的計算公式為：

(6)

式中：T1，T2分別為進出口截面絕對溫度,K；P1,P2分別為進出口截面的絕對壓強，Pa；qm為空氣質(zhì)量流量，kg/s；Cp為空氣定壓比熱容，J/(kg·K)；Rg為空氣的氣體常數(shù)，J/(kg·K)。

繞組和定子是高溫?zé)嵩?，單位時間熵產(chǎn)ΔS的計算公式為：

(7)

式中:負號意味著放出熱量;Q為熱源單位時間放出熱量，W；T為熱源溫度，K。ΔSair和ΔS之和是系統(tǒng)的總單位時間熵產(chǎn)[9]ΔStotal:

ΔStotal=ΔSair+ΔS

(8)

現(xiàn)用熵產(chǎn)理論分別分析不同風(fēng)量和不同結(jié)構(gòu)下的電機散熱性能。將仿真結(jié)果代入式(10)，經(jīng)計算得出不同流量下的熵產(chǎn)值。如圖6(a)所示，熵產(chǎn)隨流量增大而增大，且隨流量的增大變化幅度增大。由熵產(chǎn)最小化理論[10]可知，較低熵產(chǎn)有利于散熱，但根據(jù)式(8)可知，隨流量增加，熵產(chǎn)勢必增大。這也從另一角度說明流量的增加雖然可以降低電機溫度，但并不是越大越好；風(fēng)量為1.2 m3/s時原方案的單位時間熵產(chǎn)為150.3 W/K，優(yōu)化方案一的熵產(chǎn)為150.8 W/K，優(yōu)化方案二的熵產(chǎn)為143.5 W/K。圖6(b)為熵產(chǎn)對比折線圖。由圖可知，優(yōu)化方案二的熵產(chǎn)最低，散熱性能最好。因此熵產(chǎn)分析出的最優(yōu)結(jié)構(gòu)與仿真計算得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)相符合。

4 結(jié)論

1)增大空氣流量可有效降低電機溫度，但流量增大到一定程度時，電機溫度降低得不明顯。

2)計算結(jié)果表明，繞組溫度>定子溫度≈轉(zhuǎn)子溫度，說明繞組損耗對電機溫度的影響最大。在流量不變的條件下，應(yīng)在不改變定子通風(fēng)孔大小的前提下，增大定子通風(fēng)孔的流量配比，因此可采取優(yōu)化方案二的方法，即縮小轉(zhuǎn)子通風(fēng)孔面積。

3)熵產(chǎn)值(不可逆損失)隨流量增大而增大，且增大幅度越來越大；優(yōu)化方案二熵產(chǎn)最小，說明其結(jié)構(gòu)散熱效果最好，與仿真計算結(jié)果相吻合。

4)把冷卻空氣流經(jīng)牽引電機帶走的熱量折算成熵產(chǎn)作為仿真計算結(jié)果的評價指標，而非單一地考察電機各部件的溫度，驗證了仿真計算的準確性和可行性。