笼障转子无刷双馈电机水冷系统设计

张凤阁 蒋晓东 李应光

摘 要：为了降低笼障转子无刷双馈电机的温升，进一步提高其功率密度，提出采用水冷方式替代风扇冷却对该种新型电机进行冷却系统设计。建立水冷系统解析计算模型，分别设计了轴向和螺旋两种水路结构，计算两种水路结构机壳表面温度，并对两种水路结构进行对比分析。选取无刷双馈电机周向1/6区域作为研究对象，建立三维稳态温度场物理模型，通过采用有限元方法计算了电机各部分的温升分布，并对结果进行详细分析。最后将有限元计算结果与解析结果进行对比，验证了螺旋水路冷却方案设计的有效性，为后续水冷样机的研制和进一步实验研究提供理论依据。

关键词：笼障转子；无刷双馈电机；解析模型；冷却系统；螺旋水路

中图分类号：TM 352

文献标志码：A

文章编号：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

無刷双馈电机（brushless doublyfed machine，BDFM）是一种新型结构的电机，其结构取消了电刷和滑环，降低了电机维护成本，增强了电机运行时的可靠性和安全性，在变速恒频恒压发电和大容量变频调速系统中具有广泛应用前景[1-3]。

BDFM定子上嵌有极数不同的两套绕组，分别为控制绕组和功率绕组，运行时功率绕组与电网直接相连，控制绕组通过变频器与电网相连。BDFM两套绕组通过特殊转子结构磁场调制作用进行耦合，转子起着“极数转换器”的作用，转子性能的好坏直接决定着电机的功率密度和效率。

然而该种电机谐波磁场较为丰富，损耗较大，温升问题尤为突出，直接影响到电机运行时的性能指标，并且限制了电机功率密度的进一步提高，因此有必要对该种电机的温度场和冷却方式进行研究。

目前国内外专家学者对电机温度场进行了大量的研究工作[4-7]。文献[8]基于流体力学理论研究了水冷电机冷却水流速与电机内部温度的关系。丁树业[9]等以一台2.5 MW永磁风力发电机为例，通过改变电机径向通风沟结构尺寸，提出4种优化方案，比较不同方案冷却性能，给出了最佳的结构设计方案。浙江大学何伟超[10]等针对高功率密度电动汽车驱动电机存在温升较高的问题，提出一种高效率并联V型水冷结构，并分析了该种电机的温升分布情况。文献[11]研究了轴径混合结构双馈异步发电机的通风散热问题，分析了转速和径向风道结构尺寸对流量分布的影响规律。哈尔滨工业大学梁培鑫[12]等对轴向“Z”字型和螺旋水路进行了对比研究，给出了水冷电机水路的选择原则。文献[13]针对高能量密度电机发热严重问题，提出定子机壳内“S”型水槽的设计观点。文献[14]以一台1.5 MW风力发电机为例，进行了冷却系统的设计，考察了风速﹑翅片等参数的相互影响。综上所述，目前针对笼障转子BDFM冷却系统设计的研究相对较少。

本文以笼障转子BDFM为研究对象，采用解析方法分别设计了轴向和螺旋两种水路冷却结构，对比分析了两种水路结构的优缺点，建立了螺旋水路冷却方式电机温度场计算模型，采用有限元方法计算电机各部分温升分布。最后通过比较解析和有限元两种方法计算得到的水冷电机温升，验证了笼障转子BDFM冷却系统设计的有效性，为后续水冷样机的研制提供了理论基础。

1 电机结构

笼障转子BDFM采用一种由磁障式叠片和笼型绕组组成的复合式笼障转子结构，如图1所示，样机参数见表1所示。

2 水冷系统设计

目前针对电机应用范围最广的冷却技术是机壳外表面水冷技术。即在机壳外表面开水道，在上面套一外壳，将水道密封起来，分别打通进水口和出水口，冷却水就可以在机壳外表面和外壳内表面之间流动，带走电机热量，起到冷却效果。

对于水冷系统，按水流的流动方式分为轴向水冷方式和周向水冷方式两种，其中螺旋结构是周向水冷方式应用最为广泛的一种结构，两种冷却结构示意图如图2所示。

分别采用轴向和螺旋两种水路结构对笼障转子BDFM进行冷却系统设计，并进行对比分析。

2.1 轴向水路结构设计

根据电机结构参数，定子机壳外径D1=430 mm，内径Dil=400 mm，拟设计水槽段长度H=290 mm。

设计要求：进水口温度tin≤30 ℃，出水口温度tout≤35 ℃，机壳温度≤40 ℃，进出水口在同一端。

2.1.1 水路参数确定

根据电机电磁设计的结果，损耗分布如表2所示。

设水道个数为n，其截面形状近似矩形。设截面平均长为a，高为b，隔板宽度为c，则有ab=450 mm2，n（a+c）=π（400+430）/2 mm，b<（430-400）/2=15 mm。

由于电机进出水口在同一侧，n选择偶数。初步确定b=5 mm，a=90 mm，n=12，c=18 mm，由于水道数目是12，所以每个隔板中心线夹角为30 ℃。其结构设计尺寸如图3所示。

2.1.2 冷却水带走热量计算

1）水路相关数据。

根据流体受迫流动准则得到流体雷诺数为

水流及水槽相关数据如表3所示。

根據式（3）～式（5）得到散热系数α=3 737.5 W/（m2·K）由式（7）得到T=34.22 ℃<40 ℃，满足设计要求。

3）冷却水带走热量计算。

由公式

2.2 螺旋水路结构设计

2.2.1 水路参数确定

螺旋水路冷却结构水道截面尺寸的确定方法与轴向水路设计方法相同，预设水道设计段H为240 mm，h1为8 mm。水道嵌入机壳后，其截面形状为矩形，假设水道的圈数为n，水道宽为a，高为b，隔板的宽度为c，如图4所示。

通过比较试设a值，算出b和c值，最后确定a=50 mm，b=9 mm，c=6 mm，n=4。

2.2.2 冷却水带走热量计算

经过计算，水流及水槽相关数据如表4所示。

由公式（3）～式（5）得到散热系数α=5 471.8 W/（m2·K）根据公式（7）得出电机机壳温度33.92 ℃，其值小于40 ℃，满足设计要求。冷却水带走热量6 090 W，满足散热要求。

2.3 水路结构比较

对比上述两种水路结构的散热情况可知，螺旋水路的散热系数要大于轴向水路。考虑到水泵的输出功率，选择哪种水路结构主要依据进出口水压差的大小，其与水路阻力密切相关，因此只要计算出两种结构的水路阻力就能比较进出口的水压差。

水路阻力分为沿程阻力和局部阻力，沿程阻力是与流体流过的路程﹑流速及水路截面尺寸有关的物理量，计算公式如下表示：

根据上述水道阻力的计算公式，分别得到两种水路阻力的计算结果，见表5所示。

由表5可知，轴向水路沿程阻力占总阻力的34%，螺旋水路沿程阻力占总阻力的82%。轴向水路和螺旋水路的沿程阻力相差不大，近似相同，这是因为根据式（9）推导得到

其中k1—比例系数，与密度、比热容、水路直径、总损耗和轴向长度有关。

从上式中可知影响沿程阻力大小的主要因素是（ab）3项，即水道的横截面积。由于所设计的轴向水路与螺旋水路横截面积相同，因此沿程阻力近似相等。同时发现轴向水路局部阻力大于螺旋水路，因此轴向水路需要水泵提供的输出功率更大。所以，选择螺旋水路作为BDFM水冷结构要比采用轴向水路有利。

3 电机三维温度场数值计算

3.1 物理模型

根据笼障转子BDFM的结构特点，选取电机1/6圆周，整个轴向定转子铁心、功率绕组、控制绕组、短路和公共笼条及转轴为研究对象，建立三维温度场物理模型，如图5所示，各部分材料导热系数见表6所示。

3.2 温度场计算结果分析

笼障转子BDFM绕组温度分布如图6和图7所示。

由图6和图7可知，功率绕组最高温度为95.643 ℃，最低温度为69.232 ℃；控制绕组最高温度是95.336 ℃，最低温度是67.723 ℃。两套绕组最高温度均位于端部区域，表明端部绕组散热能力较弱。

定转子温度如图8和图9所示。

由图8可知，定子齿部温度最高，达到了84.493 ℃，轭部温度最低为40.698 ℃，并且随着径向高度的增加温度逐渐降低。由图9可知，转子温度最高集中在公共笼条和短路笼条端部，达到了83.776 ℃。转子磁障表面端部温度较高，达到了82.376 ℃，中间温度相对较低，最低为71.261 ℃。这是因为转子两端靠近笼条端部区域，温升较高；相邻导磁层之间设有通风沟，沟内风速较大，以至于转子表面散热系数较大，温度与转子端部相比较低。

机壳温度分布如图10所示。

由图10可知，端盖最高温度为52.167 ℃，位于转轴与端盖接触处，并且沿径向高度温度逐渐降低。螺旋水道内部温度在40 ℃左右，机壳表面其他部位温度较低，在34.051 ℃～38.077 ℃之间。通过与解析计算结果对比，发现两种方法计算得到的机壳表面温度基本接近，验证了所选取的螺旋水道设计的正确性。

4 结 论

本文通过对笼障转子BDFM冷却系统的设计与分析，得出以下结论：

1）经解析计算发现轴向水路局部阻力明显大于沿程阻力，考虑到水泵的功率输出，因此选择螺旋水路作为笼障转子BDFM的冷却结构。

2）轴向水路和螺旋水路的沿程阻力相差不大，主要与水路横截面积有关。在水路直径和轴向长度相同的条件下，水路横截面积越大，局部阻力越小。

3）通过有限元计算可知，采用螺旋水道冷却方式电机机壳表面温度小于40 ℃，满足设计要求，并与解析方法计算得出的机壳表面温度一致，验证了笼障转子BDFM螺旋水路冷却结构设计的正确性和有效性，为后续水冷样机的研制提供理论依据。

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（编辑：贾志超）