中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
摘 要 針對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)500 kW電機(jī)定子的散熱問(wèn)題，在定子外側(cè)加裝螺旋水套進(jìn)行冷卻；通過(guò)簡(jiǎn)化熱源和傳熱模型，建立等效復(fù)合換熱模型，并完成對(duì)電機(jī)定子的液冷設(shè)計(jì)；利用數(shù)值模擬方法快速校核設(shè)計(jì)結(jié)果，計(jì)算得到了定子內(nèi)部溫度分布和水套摩擦阻力。固定槽高或槽寬，增大槽寬或槽高，造成壓降減小，定子的最高溫度有一定上升。研究給出了設(shè)計(jì)水套槽道的尺寸，為滿(mǎn)足定子溫度要求，在一定的設(shè)計(jì)溫升下，冷卻水的進(jìn)口溫度應(yīng)不超過(guò)某一值。提高冷卻水設(shè)計(jì)溫升，冷卻水最大允許進(jìn)口溫度略有下降。設(shè)計(jì)方法簡(jiǎn)單高效，可為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)電機(jī)定子冷卻設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞 飛輪儲(chǔ)能；電機(jī)定子；散熱設(shè)計(jì)；水套；溫度；壓損
作為物理儲(chǔ)能方式的一種，飛輪儲(chǔ)能具有比能量高、比功率高、充放電次數(shù)與充放電深度無(wú)關(guān)、能量轉(zhuǎn)化效率高、可靠性好、易維護(hù)、無(wú)使用環(huán)境條件要求、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于需要短時(shí)大功率電能輸出且充放電次數(shù)頻繁的場(chǎng)合，已應(yīng)用于交通運(yùn)輸、電網(wǎng)調(diào)節(jié)、新能源發(fā)電和不間斷電源等領(lǐng)域。
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要包括飛輪本體、電機(jī)、軸承、真空保護(hù)殼體、變流器等部件。電機(jī)是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的重要部件，通過(guò)集成的電動(dòng)/發(fā)電一體機(jī)實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中常用的高速電機(jī)有永磁無(wú)刷電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)。其中永磁電機(jī)因?yàn)樾矢?、能量密度大、維護(hù)方便、運(yùn)行轉(zhuǎn)速范圍寬等特點(diǎn)在飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。飛輪儲(chǔ)能在向大功率、低損耗的方向發(fā)展，這對(duì)電機(jī)功率提升和損耗控制提出了更高要求。電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中不可避免產(chǎn)生損耗，這些損耗大多以熱能形式散出，轉(zhuǎn)為電機(jī)的主要熱源，使電機(jī)溫度提高。電機(jī)內(nèi)的主要損耗包括定子銅損、鐵損和轉(zhuǎn)子渦流損失及風(fēng)損，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速提高，風(fēng)損占總損耗比例逐漸增大。為了減小風(fēng)損，將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)置于真空狀態(tài)下，可有效降低轉(zhuǎn)子的摩擦損失。通常通過(guò)電機(jī)磁路設(shè)計(jì)從源頭上降低轉(zhuǎn)子損耗，在真空條件下，電機(jī)轉(zhuǎn)子可采用空心軸內(nèi)流冷卻和熱管冷卻方式。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速之間頻繁切換，整體損耗更大，其中定子損耗仍是主要損耗，產(chǎn)生大量熱量，給電機(jī)帶來(lái)巨大溫升，溫升過(guò)高會(huì)導(dǎo)致電機(jī)絕緣的老化加劇甚至損毀電機(jī)。
傳統(tǒng)的冷卻方式有風(fēng)冷、液冷和混合冷卻。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用電機(jī)的功率密度大，需要處于真空環(huán)境，對(duì)空間限制較為寬松。風(fēng)冷換熱能力有限，且需要建立內(nèi)部流道、破壞真空環(huán)境，因此并不適用。液冷通過(guò)在電機(jī)定子或外殼設(shè)置密封循環(huán)流道，不影響轉(zhuǎn)子的真空環(huán)境，換熱能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，非常適用于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)用電機(jī)定子的冷卻。針對(duì)電機(jī)定子水套冷卻的設(shè)計(jì)，常用三種計(jì)算方法，簡(jiǎn)化公式法、等效熱網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)值計(jì)算法。簡(jiǎn)化公式法通過(guò)熱平衡計(jì)算得到相應(yīng)溫升及設(shè)計(jì)參數(shù)，計(jì)算簡(jiǎn)便且理論性強(qiáng)，但需要進(jìn)一步校核和檢驗(yàn)。等效熱路法利用集總參數(shù)法等效各部分的熱源及熱阻，并建立熱網(wǎng)絡(luò)，其計(jì)算精度適中，取決于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量。數(shù)值解法通過(guò)建立詳細(xì)的計(jì)算模型并求解流體的流動(dòng)傳熱獲得定子的溫度分布，精度高，目前使用較多，但計(jì)算復(fù)雜且消耗計(jì)算資源大、計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)。目前缺乏一種簡(jiǎn)單快捷的設(shè)計(jì)方法，能夠快速對(duì)電機(jī)定子水套冷卻開(kāi)展設(shè)計(jì)并進(jìn)一步校核和檢驗(yàn)。
本文針對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的500 kW高速永磁電機(jī)，采用液冷系統(tǒng)降低電機(jī)定子溫度，在給定損耗條件下，結(jié)合簡(jiǎn)化公式法和數(shù)值計(jì)算法，通過(guò)簡(jiǎn)化熱源和傳熱模型，建立等效復(fù)合換熱模型，開(kāi)展電機(jī)定子液冷設(shè)計(jì)；簡(jiǎn)化流體傳熱計(jì)算，利用數(shù)值模擬方法快速校核設(shè)計(jì)結(jié)果，并開(kāi)展進(jìn)一步研究。
1 電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)和損耗
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)所用的電機(jī)尺寸參數(shù)為：定子外徑650 mm、內(nèi)徑440 mm，轉(zhuǎn)軸直徑240 mm、外徑425 mm，軸向長(zhǎng)度404 mm，轉(zhuǎn)子磁鋼疊壓在硅鋼片內(nèi)。定子槽數(shù)為72，其外形結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1(a)。飛輪儲(chǔ)能電機(jī)定子繞組的槽型結(jié)構(gòu)圖如圖1(b)所示?？梢钥吹街饕ㄣ~繞組、槽底墊條、中間墊條、楔下墊條、槽楔、絕緣層。其中，繞組銅主要是用來(lái)繞成若干線圈，用于傳導(dǎo)產(chǎn)生的感應(yīng)電流；槽底墊條、絕緣層、中間墊條、楔下墊條等主要起固定和絕緣的作用。
圖1 電機(jī)1/6外形結(jié)構(gòu)和定子槽型示意圖
針對(duì)電機(jī)液體冷卻，常用的液路形式有軸向型、周向型和螺旋型，其中螺旋型壓降最低，消耗泵功最小，冷卻效率略弱于軸向型，遠(yuǎn)優(yōu)于周向型。綜合考慮，本文選用螺旋型液路作為冷卻形式(見(jiàn)圖2)。電機(jī)殼體和液路之間主要存在強(qiáng)迫對(duì)流和熱傳導(dǎo)傳熱現(xiàn)象。采用水作為傳熱流體，對(duì)定子進(jìn)行冷卻。
圖2 螺旋型水套冷卻水流道示意圖
采用的電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，電機(jī)額定功率為500 kW，工作轉(zhuǎn)速在2250~4500 r/min，效率為97%。取2.5%的定子損耗，按照電機(jī)定子鐵耗和銅耗最大設(shè)計(jì)值3.178 kW和2.975 kW的比例，得到定子鐵耗和銅耗分別為6.456 kW和6.044 kW，以此為電機(jī)最大熱損耗，設(shè)計(jì)計(jì)算并校驗(yàn)定子冷卻。
表1 電機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)和熱源情況
2 數(shù)值計(jì)算模型
通過(guò)分析建立等效復(fù)合換熱模型，考慮繞組發(fā)熱情況，并對(duì)水套模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化
為了降低數(shù)值模擬的復(fù)雜度，縮短計(jì)算時(shí)間，進(jìn)行如下假設(shè)：
（1）采用三維穩(wěn)態(tài)計(jì)算模型，假設(shè)每個(gè)槽楔發(fā)熱量相同，與周邊槽楔是對(duì)稱(chēng)的，以其中一個(gè)定子槽楔作為計(jì)算對(duì)象代表整個(gè)電機(jī)定子；
（2）由于水套內(nèi)冷卻水從換熱表面流過(guò)，流動(dòng)均勻一致，將水套對(duì)流換熱折合成等效換熱面積上的對(duì)流換熱；
（3）由于損耗在一定體積內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量，假設(shè)熱量均勻分布在繞組和硅鋼內(nèi)部，通過(guò)在繞組、不同位置的硅鋼設(shè)置內(nèi)熱源方式模擬定子鐵耗和銅耗；
（4）由于邊界上溫度較低，不考慮邊界上的輻射換熱。
電機(jī)定子銅耗、定子齒部和軛部的鐵耗不同，分別設(shè)置不同的內(nèi)熱源。由于電機(jī)轉(zhuǎn)子另外設(shè)計(jì)了散熱，其溫度不高，且電機(jī)整體處于真空環(huán)境下，風(fēng)損很小，靠近轉(zhuǎn)子部分的定子齒部設(shè)置了絕熱條件。在定子軛部外側(cè)設(shè)置了水套體，使用公式(8)得到的等效對(duì)流換熱系數(shù)，在水套體外側(cè)設(shè)置對(duì)流邊界條件以考慮定子水套冷卻，相關(guān)設(shè)置見(jiàn)圖3。
圖3 熱源及邊界條件設(shè)置
通過(guò)時(shí)步有限元對(duì)電機(jī)鐵芯磁場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算，在4500 r/min下得到定子鐵芯在齒身中部A點(diǎn)、齒跟中部B點(diǎn)和軛部中部C點(diǎn)磁密變化波形(見(jiàn)圖4)?？梢钥吹剑X身中部、齒根中部和軛部中部的最大磁密依次減小，約為1.08 T、0.75 T和0.49 T，綜合齒部和軛部的磁密分布情況，得到定子齒部和軛部損耗分別是1.51 kW和1.67 kW，以此設(shè)置定子齒部和軛部的內(nèi)熱源qv
其中Ploss為損耗，V為內(nèi)熱源所占的體積。
圖4 電機(jī)磁密波形
根據(jù)相關(guān)假設(shè)，建立能量守恒方程
其中，Ro是指添加水套之后的定子外半徑。
計(jì)算過(guò)程主要用到的材料包括環(huán)氧樹(shù)脂、復(fù)合材料、F級(jí)絕緣材料、銅和硅鋼片等，相關(guān)材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示。
表2 主要材料導(dǎo)熱系數(shù)
根據(jù)電機(jī)的外形結(jié)構(gòu)建立模型，代入設(shè)計(jì)過(guò)程獲得的等效對(duì)流換熱系數(shù)、冷卻液進(jìn)口溫度、損耗情況等，在ANSYS Workbench中開(kāi)展有限元穩(wěn)態(tài)分析。為了驗(yàn)證網(wǎng)格無(wú)關(guān)性，建立了3套網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為31316、56485和104666，在相同計(jì)算工況下，定子最高溫度分別是79.275 ℃、79.278 ℃和79.279 ℃，定子平均溫度分別是57.129 ℃、56.309 ℃和56.506 ℃，定子平均溫度第1套網(wǎng)格比第2套網(wǎng)格誤差為1.46%，第2套網(wǎng)格比第3套誤差為0.35%，因此選用網(wǎng)格數(shù)為56485的網(wǎng)格，計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分情況如圖5所示。
圖5 計(jì)算模擬網(wǎng)格劃分
3 電機(jī)液冷系統(tǒng)散熱的分析計(jì)算
3.1 溫度場(chǎng)分析
取槽道高0.04 m、槽道寬0.03 m、螺距0.047 m、槽道壁厚0.017 m，設(shè)計(jì)溫升3 ℃，電機(jī)轉(zhuǎn)速為4500 r/min，冷卻水進(jìn)口溫度30 ℃，計(jì)算定子的溫度分布，結(jié)果如圖6所示。沿著徑向方向，定子的溫度越來(lái)越低，熱量被最外側(cè)的冷卻水帶走。在更靠近轉(zhuǎn)子的定子繞組處取得最高溫度約77.91 ℃。
圖6 正常工況下定子溫度場(chǎng)分布
3.2 壓降計(jì)算分析
根據(jù)公式(10)可得所用螺旋水套的摩擦阻力。如圖7所示，在槽寬0.03 m時(shí)，隨著槽高的增大，計(jì)算得到的壓降逐漸減小，定子最高溫度升高。在槽寬0.03 m時(shí)，壓降為10.0 kPa，定子最高溫度為67.82 ℃，槽寬為0.05 m時(shí)，壓降降低到2.9 kPa，定子最高溫度升高為68.30 ℃。
圖7 槽高和壓降、定子最高溫度的關(guān)系
如圖8所示為在槽高為0.04 m時(shí)，槽寬和壓降及定子最高溫度的關(guān)系。隨著槽寬的增大，計(jì)算得到的壓降逐漸減小，定子最高溫度逐漸升高。槽寬從0.02 m升高到0.045 m，壓損從14.4 kPa降低到1.8 kPa，定子最高溫度從67.82 ℃升高到68.40 ℃。綜合圖7和圖8可知，增大槽尺寸會(huì)增大定子最高溫度，在滿(mǎn)足定子冷卻要求條件下，基于流動(dòng)阻力考慮，可以選取流道寬度和高度較大的槽道結(jié)構(gòu)。
圖8 槽寬和壓降、定子最高溫度的關(guān)系
3.3 不同冷卻水進(jìn)口溫度的影響
最終選擇槽道高度0.04 m，槽道寬度0.03 m，螺距0.03 m，槽道壁厚0.005 m，螺旋槽道內(nèi)徑為0.36 m，設(shè)計(jì)流道長(zhǎng)度為18 m。取相同的槽道尺寸，取電機(jī)最大熱損耗，設(shè)計(jì)冷卻水溫升為3 ℃，根據(jù)公式(1)，計(jì)算可得冷卻水質(zhì)量流量為1.00 kg/s，流速為0.83 m/s，圖9為冷卻水進(jìn)口溫度與定子最高溫度的關(guān)系，可以看到隨著冷卻水進(jìn)口溫度增大，定子最大溫度逐漸升高，近似線性。在冷卻水進(jìn)口溫度為20 ℃時(shí)，定子最大溫度為68.06 ℃，冷卻水進(jìn)口溫度為60 ℃時(shí)，定子最大溫度為107.59 ℃。要滿(mǎn)足散熱要求，冷卻水進(jìn)口溫度應(yīng)不超過(guò)52.4 ℃。
圖9 冷卻水進(jìn)口溫度與定子最高溫度關(guān)系
在電機(jī)最大熱損耗下，為滿(mǎn)足定子最高溫度小于100 ℃，冷卻水設(shè)計(jì)溫升與冷卻水最高進(jìn)口溫度的關(guān)系如圖10所示?？梢钥吹?，隨著冷卻水設(shè)計(jì)溫升的增大，冷卻水最高進(jìn)口溫度逐漸減小，近似呈線性。冷卻水設(shè)計(jì)溫升從2 ℃提高到6 ℃，流量降低，冷卻水進(jìn)口溫度需從52.8 ℃降低至51.1 ℃。
圖10 冷卻水設(shè)計(jì)溫升與冷卻水最高進(jìn)口溫度的關(guān)系
4 結(jié) 論
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)頻繁工作在不同轉(zhuǎn)速，電機(jī)發(fā)熱量巨大。針對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)500 kW電機(jī)的定子冷卻問(wèn)題，采用在定子外圍加裝螺旋水套的方式解決。結(jié)合簡(jiǎn)化公式法和數(shù)值計(jì)算法，通過(guò)簡(jiǎn)化熱源和傳熱模型，建立等效復(fù)合換熱模型，完成定子水套散熱設(shè)計(jì)，并利用有限元方法對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行快速校核和進(jìn)一步研究，研究結(jié)論如下：
（1）選用螺旋水套冷卻形式可有效解決飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)電機(jī)定子的散熱，設(shè)計(jì)的水套槽道高度0.04 m，槽道寬度0.03 m，螺距0.047 m，槽道壁厚0.017 m，螺旋槽道內(nèi)徑為0.71 m。在設(shè)計(jì)冷卻水進(jìn)口溫度為20 ℃，設(shè)計(jì)溫升為3 ℃時(shí)，電機(jī)最大損耗下，定子最高溫度為68.06 ℃。
（2）在槽高固定情況下，隨著槽寬的增大，或固定槽寬，隨著槽高的增大，計(jì)算得到的摩擦阻力減小，定子最高溫度升高。
（3）在電機(jī)最大損耗下，設(shè)計(jì)槽道尺寸下，給定冷卻水設(shè)計(jì)溫升3 ℃，則冷卻水進(jìn)口溫度不超過(guò)52.4 ℃可滿(mǎn)足冷卻設(shè)計(jì)要求。提高冷卻水設(shè)計(jì)溫升，流量減小，需降低冷卻水進(jìn)口溫度。
