涡旋压缩机用电机冷却系统CFD传热分析

王 柳，林江波

(丹佛斯(天津)有限公司，天津 301700)

涡旋压缩机用电机冷却系统CFD传热分析

王 柳，林江波

(丹佛斯(天津)有限公司，天津 301700)

阐述了基于流体和固体耦合的涡旋压缩机电机冷却系统的仿真原理及方法，结合有限元仿真软件ANSYS Fluent，构建了涡旋压缩机电机冷却系统的流固耦合仿真模型，获取了电机内部及周围冷媒的温度和流场分布信息，并制作样机进行了试验，试验结果显示模拟结果和试验结果具有很强的一致性，为涡旋压缩机电机结构改进和冷却性能优化提供理论依据。结合电机结构和压缩机低压腔气路分布的特点，为增大冷却电机冷媒流量，对电机转子打孔的方案进行模拟分析，模拟结果显示能有效改善电机散热。

涡旋压缩机；电机冷却系统；CFD；流固耦合传热

1 前言

涡旋压缩机结构简单、性能可靠，广泛应用于制冷空调领域[1,2]。电机作为压缩机的驱动动力，是压缩机的核心部件，电机性能直接影响压缩机的制冷效果。为提高电机的性能，除了电磁设计之外，电机的冷却散热是设计的重点，因此，电机的冷却系统优化设计是提高电机性能的关键因素。全封闭式压缩机的电机散热主要靠冷媒换热，冷媒气体进入压缩机低压腔侧与电机表面进行对流换热，通过气流间隙带走定子、绕线端、上下端环及转子表面的热量，进行冷却。

计算流体力学的方法已在车用电机及航空用电机冷却系统研究方面得到了广泛的应用[3,4]。针对电机冷却系统的研究，单独对电机系统和冷却系统流路做仿真分析的研究较多[5～8]。目前压缩机电机的冷却系统主要依靠试验研究，依据电机表面的温度，对电机散热情况有初步的了解，但针对电机耦合传热模型，尚未深入研究。本文采用FLUNET流体计算软件，以丹佛斯压缩机为研究对象，提出电机冷却系统的流固耦合传热模型分析方法，对电机冷却系统的流场及温度场进行分析研究。分析电机内部各部件的温度分布及最高温度点，通过电机与冷媒气体的流固耦合计算来进行电机散热的优化设计。

2 系统结构特点及流路分布

电机在运行过程中，处在交变磁场中电机铁芯会产生铁损，绕组通电后会产生铜损，还有转子的铝损以及其他电磁损失等，这些电机损耗均会产生热量，从而使电机温度升高。

在压缩机内，电机处在低压腔侧，电机散热主要方式包括2种形式：(1)电机定子铁芯通过热装的方式与压缩机的壳体组装到一起，电机铁芯产生的热量通过壳体以辐射换热的方式传递到空气中，这种方式散热量很小；(2)冷媒通过对流换热方式将定子与转子间隙、定子绕线机转子端环外表面的热量带走。辐射换热对电机散热影响很小，本文主要研究对流换热对电机散热的影响。

电机冷却系统流路即为压缩机低压腔冷媒气体的流路，冷媒从压缩机吸气口进入，经电机定子与壳体之间的空隙及电机内部气隙绕流，最后进入压缩机涡旋腔吸气口，如图1所示。

图1 电机冷却系统流路

3 冷却系统气固耦合传热计算模型

3.1 基本的假设

(1)压缩机低压腔内的气体及电机冷却气体的流速均低于音速，可看作不可压缩流体。

(2)电机周围气体雷诺数大于2300，属于湍流流动，采用湍流模型求解。

(3)电机的工作状态为稳态，未考虑瞬态及电机转速的影响。

3.2 热源的确定

本文计算模型的热源即为电机的总损耗，电机的工作电压为400 V，扭矩为63 N。总损耗由定子铜损、定子铁损、转子铝损、转子铁损及电磁损耗构成，表达式为：

PLOSS=PSCu+PSFe+PRAl+PRFe+Pother

(1)

式中 PLOSS——总损耗 PSCu——定子铜损 PSFe——定子铁损 PRAl——转子铝损 PRFe——转子铁损 Pother——其他电磁损耗

采用电机设计软件Speed计算所得，电机的总损耗为1686.3 W，PSCu=749.8 W，PSFe=160.3 W，PRAl=736.3 W，PRFe=0.5 W，Pother=40 W。热源总损失以体热源的形式加到电机各个体内，进行CFD的计算。

3.3 边界条件的确定

(1)入口为压缩机吸气口，采用压力进口，压力值为0.994 MPa，温度为299.7 K；出口采用质量出口，质量流量为720 kg/h，温度采用默认值。

(2)电机各部分的接触面为耦合热传导边界；冷却气体与电机通风气隙接触面为耦合对流传热边界。

(3)气体与润滑油接触面热边界采用定温度边界，其值为366.75 K。

3.4 流体及固体的物性参数

本文涉及电机及制冷气体材料如表1所示。

表1 物性参数

注：R410a的黏度为1.7182×10-5Pa·S。

4 电机传热CFD分析

4.1 电机结构及压缩机低压腔的流路

电机绕组结构复杂，上线包和下线包形状不规则，定子槽内导线分布不均匀。建立定子模型前做适当的假设，模型简化处理，电机整体模型如图2所示。

图2 电机简化模型

压缩机低压腔的流路为制冷剂气体流经的区域，从压缩机吸气口到涡旋盘的进气口之间的区域，简化如图3所示。

图3 流路简化模型

气体流路主要分为两部分：(1)气流由吸气口向上流动到达涡旋盘的进气口；(2)气流由吸气口进入，经过电机周围的间隙，包括定子切边气隙和定子与转子之间气隙，对电机进行冷却系统。

本文计算模型为流路模型与电机模型叠加的物理模型。

4.2 网格划分

考虑到定子叠片和槽内导线以及转子的结构特点，使用六面体网格划分，电机其他部分及流体区域采用四面体网格划分，网格总数大约为10000000个，如图4所示。

图4 网格划分

4.3 模拟结果分析及试验验证

4.3.1 耦合传热原理

电机散热包括导热和对流，电机内部传热方式为导热，电机外表面与制冷剂气体之间的传热方式为对流[9～11]。

物体内部的导热方程为：

(2)

式中φ——热流量，WA——传热面积，m2λ——导热系数，W/(m·K)T——温度，Kn——法向单位矢量，m

将导热物体某点分割为微元，通过导热基本定律可得导热微分方程:

(3)

式中qv——单位体积发热率，W/m3ρ——密度，kg/m3c——定容热熔，J/(kg·K)τ——时间，s

式(3)等号左边第一项是通过界面的导热而使微元体在单位时间内增加的能量，第二项为微元内部自发产热量，等号右端为热力学能的增量。

根据牛顿冷却定律，物体对流换热过程方程：

φ=h(Tw-Tf)A

(4)

式中h——对流传热系数，W/(m2·K)Tw——固体表面温度Tf——流体平均温度

4.3.2 温度分布特点及试验验证

结合传热原理和电机流固耦合传热的特点，电机内部自发产生的热量即电机的损耗做功，电机内部的导热与电机材料的导热系数有关，电机本身能量的增加体现为电机温度的升高。

分析电机内部散热分布特点，从温度分布云图(图5，6)分析得到，压缩机的吸气口在电机的上方，从制冷剂气体自上而下流，电机之间的气隙再到涡旋吸气口，电机整体的温度分布是上面温度比下面温度低。

从温度场分布来看，转子比定子的温度高，温度最高点出现在转子的下端子处。分析其主要原因，一方面与传热面积的大小成正比，定子与制冷剂接触的对流传热面积更大；一方面与电机材料传热系数有关，定子部件铜的传热系数大于转子部件铝的传热系统。

图5 温度分布云图

图6 温度分布云图

该试验在焓差实验室内进行，压缩机内充入制冷剂为R410a，试验工况为制冷空调运行工况，测试的温度为线包外表面3点的平均温度值。

本文模拟的工况为电机最大负荷工况，电压为400 V，模拟结果相对于试验结果的误差在5%以内，如表2所示，验证了采用CFD流体仿真结果的可靠性。

表2 温度值对比

结合以上分析结果，根据电机冷却系统流路分布特点，可通过增大电机外表面的对流换热面积及对流换热系数，加强电机散热，为电机散热提供优化方案。

4.4 设计方案优化

原电机转子截面如图7所示，改进方案为在原方案的叠片结构的基础上开槽，即增加通风孔，具体结构如图8所示。本文对电机温度分布及通风孔的流量进行分析研究。从温度分布云图(图5，6)分析得到，压缩机的吸气口在电机的上方，电机整体的温度分布是上部温度比下部温度低，转子比定子的温度高，温度最高点出现在转子的下端子处。

图7 原电机转子截面(原方案)

图8 改进后电机转子截面(改进方案)

改进后的方案与原方案的温度分布有相似之处，较原方案整体温度值有所降低，如图9所示。

图9 改进方案温度分布云图

制冷气体通过电机通风间隙内的通风量，由4.48%增加到6.10%，能有效增加电机与气体的对流换热量，改善电机散热。

如图10所示，改善方案与原方案相比，电机的温度降低，定子温度降低4～9 °C，转子温度降低14～33 °C，电机系统尤其是转子部分得到明显的改善。

图10 温度对比

5 结论

(1)本文提出了压缩机用电机冷却系统流固耦合的计算分析方法。通过对电机冷却系统耦合传热分析，更详细清楚了解电机内温度分布特点，对电机冷却系统进一步优化设计提供依据。

(2)通过对样机进行试验，验证了CFD耦合传热仿真的可行性。

(3)通过原方案与改进方案的对比分析得到，改进方案在转子散热方面有明显的改善，转子温度降低14～33°C，定子温度也有所下降。

运用流体力学计算方法对压缩机用电机冷却系统进行耦合传热分析,对优化电机通风散热结构提供理论,减少样机试制,缩短研发周期,降低研发成本。

[1] 王廷奇,刘玉环.涡旋压缩机用铜包铝线电机设计[J].电机与控制应用,2013,40(12):15-18.

[2] 王廷奇,刘忠赏.热泵用涡旋压缩机电机的改进设计[J].电机技术,2014(5):21-24.

[3] 王晓远,杜静娟.应用CFD流固耦合热分析车用高功率密度电机的水冷系统[J].电工技术学报,2015,30(9):30-38.

[4] Marco Tosetti,Paolo Maggiore,Andrea Cavagnino,et al.Conjugate heat transfer analysis of integrated brushless generators for more electric engines[J].IEEE,2014,50:2467-2476.

[5] 贾健,侯晓军,贺志学.流体动力学分析技术在电机通风散热中的应用[J].电机与控制应用,2006,33(7):25-28.

[6] 徐立超,胡海波.电机散热风扇外流道流场CFD分析[J].防爆电机,2011,46(2):18-21.

[7] 熊万里,徐光帅,吕浪,等.高速大功率电机转子通风孔散热效率优化研究[J].机械科学与技术,2014,33(5):735-740.

[8] 史忠震.基于ANSYS电机定子绕组热模型等效方法的分析研究[J].现代机械,2015(4):54-57.

[9] 张向南，张彦军，卢芳.空冷器板翅式传热元件翅片高度的优化计算[J].压力容器，2014，31(7)：22-27.

[10] 田乐，吴觅旋，庄周，等.一种动磁式直接振动荡电机的设计与分析[J].机电工程，2015，32(12)：1590-1594.

[11] 杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，1998:25-28.

欢迎订阅《压力容器》杂志

《压力容器》杂志是经国家新闻出版署批准出版的中央级技术刊物，中国科学技术协会主管、中国机械工程学会压力容器分会主办、合肥通用机械研究院承办，国内外公开发行，国内统一刊号：CN 34-1058/TH,国际连续出版物编号：ISSN 1001-4837号。月刊，大16开本，每期定价8.00元，全年定价96.00元(含邮寄费)。邮局征订代号26-10。国外发行：中国国际图书贸易总公司(北京399信箱)，国外发行代号：1529BM。

《压力容器》杂志主要报道超高压、高压、中低压压力容器和气瓶、换热器、塔器等壳体、大型高压管道、通用机械(如压缩机、制冷机等)承压辅助设备等的试验研究、结构设计、材料工程、制造技术、焊接技术、无损检测技术、技术综述、标准规范、安全分析、使用管理以及国内外压力容器研究技术进展、压力容器行业信息等内容。

通信地址：安徽省合肥市长江西路888号，邮编：230031，联系电话：(0551)65335515,传真：0551-65313592，电子信箱：pvt@chianpvt.com,网址：http://www.chinapvt.com。

欢迎订阅《包装与食品机械》杂志

《包装与食品机械》杂志由中国机械工程学会主办，是中国机械工程学会包装与食品工程分会会刊 。国内刊号：CN 34-1120/TS，国际刊号：ISSN 1005-1295 。

《包装与食品机械》杂志主要报道国内外包装机械与食品机械的设计与制造、包装工艺、包装工艺设备、包装材料及食品加工技术、食品生物技术、微生物发酵工程、食品品质无损检测、食品机械以及食品包装、食品贮藏等方面的最新研究成果以及应用技术。主要栏目有：试验研究、设计计算、专家论坛、产品开发、技术综述、工艺设备、应用技术、国外技术、标准规范、专利技术、技术信息等。

《包装与食品机械》杂志为双月刊，大16开，每册定价10.00元，全年60.00元。本刊为邮局发行，国内邮发代号26-111；国外发行代号BM4791。

地址：合肥市长江西路888号，邮编：230031,电话：(0551)65335818，传真：0551-65313592，http://www.pfm114.com，E-mail:bjzz@pfm114.com。

逾期订阅，可直接与杂志社联系。

Conjugate Heat Transfer CFD Analysis of Motor Applied in Scroll Compressor

WANG Liu，LIN Jiang-bo

(Danfoss (Tianjin) Ltd.,Tianjin 301700,China)

A gas-solid conjugate heat transfer analysis of motor in scroll compressor by CFD method is presented.Based on the analysis of the temperature and the flow of the calculation region,the temperature distribution of the inner motor and the flow distribution of the motor cooling system is shown in detail.In the final,the prototype model is test in the lab,and the trend of simulation result is aligned with the test data.Considering the motor structure and the low pressure side plenum of the compressor,the rotor part of the motor is slotted in order to enlarge the flow rate trough the motor.

scroll compressor;motor cooling system;CFD;conjugate heat transfer

1005-0329(2017)02-0057-05

2016-06-17

2016-07-29

TH457

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.013

王柳(1982-)，女，中级工程师，硕士研究生，从事制冷及空调领域CFD模拟仿真研究，通讯地址：301700 天津市武清区福源道5号丹佛斯(天津)有限公司,E-mail:WangLiu@danfoss.com。