电动滚筒用永磁外转子电机水冷系统的设计与分析

2023-09-22郑庆华韩雪岩

电机与控制应用 2023年9期

马鑫, 郑庆华, 周挺, 韩雪岩

(1.沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心,辽宁沈阳 110870;2.江西工埠机械有限责任公司,江西樟树 331200)

0 引言

随着“双碳”战略政策的不断推进,各个行业的产品也向高效化、轻量化和小型化发展。电动滚筒把永磁外转子电机和滚筒完美地结合在一起,替代原有的电机、减速机、滚筒的传统传动模式,以及后续出现的直驱电机、滚筒的直驱传动模式。电动滚筒具有结构简单、体积小、效率高、维护成本低的特点。但是,随着产品结构的紧凑性及导热形式的改变,给电机绕组温升带来了更大的压力。传统内转子电机主要的散热面积在机壳外侧,通过机壳散热;电动滚筒的散热面积在转轴内侧,相对内转子电机其散热面积减小。因此,设计一套高效的冷却系统对于永磁电动滚筒的小型化和轻量化有着重要意义[1-3]。

目前永磁电动滚筒的冷却系统主要采用空心轴自然冷却、空心轴风冷以及转轴水冷等方式。空心轴自然冷却效果较差,且电机体积较大;空心轴风冷为追求较大的散热面积增加了轴的内径,导致材料浪费以及轴承成本增加。文献[4]采用自然冷却外转子永磁电机,运用热网络法对其进行了温升计算。文献[5]介绍了外转子永磁电机的电磁设计以及相关热源计算方式并设计了一种分流式水路冷却系统,对其进行仿真计算。文献[6]设计了一台空心轴空冷外转子永磁电机,采用流固耦合进行仿真计算。文献[7]针对50 kW轴向永磁电机设计了槽内循环水冷结构,分析了该结构下流速、水压、散热面积对冷却效果的影响。文献[8]在高速内转子永磁电机定子铁心内开设水道,分析了水道数量对电磁参数和温升的影响。

在以上研究成果的基础上,本文提出一种适用于大功率永磁电动滚筒的水冷冷却系统,用于解决大功率电动滚筒温升过高、体积过大、质量过大等问题。首先,建立滚筒温度场的求解模型并进行计算;其次,对比分析三种不同流道构型的散热面积、散热系数、所需水压的不同以及对温升的影响;最后, 基于710 kW永磁电动滚筒设计一种轴向水冷系统,并分析水冷系统参数对温升的影响,完成温升试验,验证相关设计技术的正确性,对解决电动滚筒过热问题具有重要意义。

1 电动滚筒外转子电机的结构

以710 kW永磁电动滚筒为研究对象,提出了一种如图 1 所示的大功率永磁电动滚筒冷却结构。滚筒充当电机的转子,电机定子在滚筒内部。水冷系统就由内、外冷却水套、保持架以及轴护套构成。首先,定子铁心与外水套完美贴合,确保较好的导热效果;其次,保持架承载了定子自身的重力以及工作过程中产生的转矩,提高了整体的机械强度;最后采用轴套减小轴的尺寸,避免材料浪费。电动滚筒的主要设计参数如表1所示。

表1 电动滚筒参数

2 电动滚筒外转子永磁电机模型建立

2.1 数学模型

根据能量守恒定律和传热学理论,在直角坐标系的求解域内,三维瞬态热传导及其边界条件可表示为[9-10]:

(1)

式中:T为物体温度;kx、ky、kz分别为x、y、z方向上的导热系数;q为热源密度;ρ为物质密度;c为物质比热容;T0为边界S1上的温度;n为边界法向量;q0为边界面S2的热流密度;k为导热系数;α为散热系数;Te为周围介质温度。

流体处于稳定流动状态时的三维流体通用控制方程可表示为[11]

(2)

式中:u、v、w分别为速度在x、y、z方向上的分量;φ为通用变量;Γ为扩展系数;S为源项。

2.2 模型建立

基于Solid Works软件建立三维电机模型图,为了网格剖分方便,对电机三维模型进行如下简化:

(1) 将削角后的永磁体简化处理建模,永磁体建成未削角形式;

(2) 定子槽口位置的槽楔部分简化处理;

(3) 绕组等效成左、右均匀分布的矩形块,简化后的横截面如图2所示;

(4) 对滚筒和端盖进行了一定的简化处理,如图3～图4所示。

表2 给出了电动滚筒各部分材料的导热系数。

表2 电机各部分材料的导热系数 W/m/K

3 水冷系统的设计与分析

3.1 水冷系统的流道构型

水冷结构采用的流道构型一般分为轴向式、圆周式、螺旋式三种,如图5所示。三种流通的参数及温升见表3。

表3 三种流道的参数及温升

在水流流速相同的情况下,三种流道构型表明圆周式和轴向式流道的传热接触面积差别不大,略高于螺旋式流道。三种流道构型中轴向式流道的散热系数最高,圆周式流道次之,螺旋式流道最小。但是,从所需的水压来看,轴向式流道的流阻最大,流路损耗大,相反螺旋式流道的流阻最小。从绕组温升看,轴向式流道略好于圆周式流道,圆周式流道略好于螺旋式流道。

螺旋式流道由于设计简单,制造容易,目前小功率电机一般采用螺旋式流道。但是,对于大功率电机采用轴向式流道应是最好的选择。本文采用的轴向式流道的展开图如图6所示,水的流速分布如图7所示。

3.2 流道外壁直径对温升的影响

流道外壁直径对温升有着至关重要的影响,直径的大小直接决定了整体散热面积的大小。流道外壁直径与温升的关系如图8所示,如图8可知,流道外壁直径越大散热面积越大,导致滚筒的温升越低。但是,此尺寸受限于电磁参数的设计,若直径越大电磁设计中定子内径就越小,则会占用定子槽内面积,增加电机铜耗,导致热源增加,这反而会导致散热下降。因此,外壁直径在满足电磁参数基础上越大越好。

3.3 流道外壁的厚度对温升的影响

水道外壁的厚度决定了热传导的快慢,不同外壁厚度下电机的温升情况如表4所示。表4计算了相同流道面积、相同流道数下,不同外壁厚度对滚筒温升的影响情况。从计算结果可以看出每增加10 mm厚度,温升增加1 K左右。因此,外壁厚度对温升的影响可以忽略不计。

表4 不同外壁厚度下电机的温升 K

3.4 流道高度对温升的影响

流道个数不变,增加流道高度,流道高度的增加带来流道面积的增加,在考虑流量不变和水压不变的情况下,温升与流道高度的关系如表5所示。

表5 不同流道高度下电机的温升

当流量不变时,滚筒温升几乎没有任何变化,说明流量是决定温升的主要参数。当水压不变时,流道面积增大,流阻变小,流量增加,温升随着流量的增加而降低,但是降低趋势变缓,当流量到达一定数值时,几乎不会影响滚筒的温升。

3.5 流道数量对温升的影响

逐步增加流道的个数,保持其他参数和流量不变,滚筒温升和相应水压的变化趋势如图9所示。

由图9可以看出,在流道数量较少时,滚筒的温升较高,但随着水道数量的增加温升迅速降低,当流道数量增加到一定时,滚筒温升基本不发生变化,趋于稳定。但随着水道数量的增加,水压迅速增大,致使流道损耗变大。因此,流道数量在18～24个是最优的选择。

3.6 流量对滚筒温升的影响

流量是决定温升大小的一个重要参数,其影响如图10所示。图10为不同流量下的滚筒温升情况。图11为滚筒的温度分布情况。由图10和图11可以看出,水流量高于3.5 m3/h时,滚筒温升基本控制在75 K左右,因此,在不改变其他冷却参数的情况下,水流量达到一定数值后将不会对温升起到影响。

图1 电动滚筒的总体结构

图2 简化后的横截面图

图3 水冷路径示意图

图4 定子和转子部分示意图

图5 水冷系统的流道构型

图6 流道展开图

图7 水的流速分布

图8 流道外壁直径与温升的关系

图9 流道个数对温升和水压的影响

图10 流量对滚筒温升的影响

图11 滚筒温度分布

4 电动滚筒的温度仿真结果

针对上述分析结果,本文采用轴向式流道构型下的水冷结构,其主要参数如表6所示。

表6 电动滚筒的冷却结构参数

图12为滚筒轴向与径向温度分布如图,通过图12滚筒轴向和径向温度分布可以看出发热严重的地方集中在绕组的端部,温度到达102 ℃,绕组平均温升在75.5 K左右。图13为电动滚筒主要部件的温度分布情况。

图12 滚筒轴向与径向温度分布

图13 滚筒主要部件的温度分布

此外,仿真时考虑滚筒外部的包胶,滚筒的温度分布呈现中间高两边低的趋势,其最高温度到达100 ℃左右,两端的温度在70 ℃左右。

5 样机与试验

为了验证前文设计分析的准确性,将本文设计的水冷系统应用到710 kW的电动滚筒上,样机如图14所示。

图14 样机实物图

外转子电动滚筒的转轴固定不动,转矩不能通过转轴输出,而通过滚筒直接输出。因此,传统的试验平台中,没有与其适合连接的负载机。因此,本文搭建了如图15的试验平台,将电动滚筒固定在固定平台上,将钢丝绳的一端与滚筒固定连接,钢丝绳穿过平台顶端的定滑轮后,与另一端的砝码相连接。滚筒的额定转矩为88 627 N·m,折算到砝码的质量为14 500 kg,滚筒周期性正反转提降砝码完成温升试验。