高温超导电机的风路设计

孙丹丹

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

随着时代的发展，客户对电机的性能、体积、节能指标都提出了更高的要求。为了适应市场需求，电机高性能、高功率密度、高效率的“三高”发展趋势成为必然。目前国外针对“三高”有两个主流方向，一个是高速永磁电机，另一个就是高温超导电机。超导线在临界温度、临界磁场强度及临界电流密度以内时具有超导电性，其电阻为零，使绕组的电阻损耗降为零，既解决了转子绕组发热、温升问题，又使电机效率大为提高。应用高温超导技术的电机相比于传统的铜材电机，具有效率高、质量轻、尺寸小和单机极限功率大等许多突出的优点，因此未来产业化前景非常广阔。本文重点研究由我公司设计制造的一台采用国产第二代高温超导带材YBCO的高温超导发电机的风路设计。

1 电机参数

额定功率 500 kW 相数 3

额定电压 690 V 安装型式 IMB3

额定转速 1 500 r/min 冷却方式 IC06

绝缘等级 F级 极数 4

防护等级 IP44 频率 50 Hz

2 电机结构设计

电机定子铁心采用径向通风槽通风，沿轴向长度上，每隔50 mm叠片之间有宽10 mm的通风槽板，增加定子铁心的散热面积，以改善定子铁心散热。考虑到发热和温升问题，定子使用开口槽，沿定子铁心内圆表面的槽内放置三相定子绕组，槽口用槽楔封住。绝缘采用F级绝缘及F级温升考核。

超导电机转子采用液氮浸泡式蒸发冷却方式，转子线圈和铁心等浸泡在冷却介质当中，整体开放式循环。

3 电机风路设计

如图1所示，一种高温超导电机的风路结构，其包括电机的机座101，机座101上设有鼓风机104。鼓风机104有两个出风端106，鼓风机104还有进风端110，将风从进风端向出风端驱动的扇叶(图上未示出)以及驱动扇叶的电机111。电机111为两个，两电机111分别设于鼓风机104的两端。扇叶位于鼓风机的内腔，并位于出风端的上方。

机壳101的顶部设有两个进风口107，每个进风口107各分别与一个出风端106连通；机壳101的两侧均设有排风口(图上未示出)。电机可以将用于冷区的空气从进风端进入并通过出风端后再进入机壳的进风口，并进入电机内部。在电机的持续作用下，电机内部的热风从排风口排出。

电机内具有转子105；还具有定子铁心102和嵌于定子铁心槽内的定子线圈103，定子铁心102内设有径向通风槽(图上未示出)。定子铁心102由多张定子冲片叠压成若干段铁心块108组成，铁心块108由多张硅钢片叠压而成，通常为由厚度0.5 mm的圆形冷轧硅钢片叠成；铁心块的宽度通常为50 mm，即其通常由100张左右的硅钢片叠成。定子铁心102的两端设有压圈112，定子铁心两端用压圈将其压紧。相邻的铁心块108之间设有通风道109。径向通风道可以增加定子铁心的散热面积，改善铁心散热。定子线圈103在定子铁心102的两端的端部均位于进风口107的下方。转子105和定子铁心102之间设有供冷却气体流动的间隙。由于该间隙较小，故图1中未标注出。

图1 一种高温超导电机的风路结构示意图

图1中实心箭头方向为气体流动的方向。用于冷却的空气在鼓风机配套电机的驱动下，从机壳的进风口进入电机内部，由于定子线圈的两个外露端均处于进风口的下方，冷却气体可以均匀地经过定子线圈的两端部并带走热量，然后气体经过定子和转子之间的间隙，并逐步分流进入定子铁心的径向通风道，最后通过机座中间两侧的排风口排出。

采用常规风路结构会使定子线圈的两端由于温差过大而导致冷却效果不佳，进而影响电机整体运行的可靠性。采用此风路结构可以使定子线圈两端的温度同时降低，大大提高了高温超导电机绕组的冷却效果，有效地降低了电机温升。其结构紧凑，装配方便，降低了制造成本。

4 电机温度场计算

4.1 计算分析技术要求

使用SolidWorks建立了电机的实体模型，通过其他软件将其内部流体区域提取出来，进行CFD计算，并对固体区域进行耦合传热计算。

对电机的进出口进行一定的延伸，以减少计算式产生的误差，图2为电机中心截面网格示意图。

图2 电机中心截面网格示意图

基于连续方程、Navier-Stokes方程、K-Epsilon湍流方程通过有限体积法的离散方法，使用SIMPLE算法、二阶迎风差分方法，解三维稳态定常密度不可压缩空气(ρ=constant)模型，使用了分离求解器，采用了Realizable K-Epsilon湍流模型和壁面函数法对模型进行计算。

根据该电机以及冷却器的资料，我们给定了以下边界条件。

入口：质量流量为0.733 2 kg/s(空气温度40 ℃)；

出口：压力出口为P=0 Pa；

参考压力：101 325.0 Pa。

4.2 计算结果

通过计算得到了电机在该流量下各个径向通风道的流量，其值大小如表1所示，将所得结果绘制成曲线如图3中所示。其中可以看到：在齿压板处的流量最大，为0.474 kg/s，其余各处均比端部小的多。在除齿压板处的通风道外，流量最大的为第5个通风道，即中间一处通风道的流量最大，是第2通风道流量值的5倍。

表1 径向通风道流量值 单位：kg/s

图3 径向通风道流量值

由于径向通风道中空气流量的不均，从而造成该电机定子温升分布的不均，如图4所示。

图4 定子铁心温度分布云图

从图4中可以看出，铁心中部温度较高，约为58 ℃，而两边温度较低，约为49 ℃，这也正好说明了电机内风路流场计算的结果。

从图5可以看出电机整体温度分布情况，由于转子表面损耗只能通过气隙带走， 因而造成转子表面温度较高。

图5 电机整体温度分布云图

定子线圈的温度分布情况如图6所示。

图6 定子线圈温度分布云图

根据图6可以知道，定子线圈的散热情况也非常高，最高温度出现在线圈的中部，约为58 ℃。

4.3 结论

根据计算结果，该电机定子铁心和定子线圈的温升都相对较低，该电机风路参数选取的非常合理。

5 试验结果

此高温超导电机已经完成了各项试验，试验结果显示电机的温升远小于国家标准。

6 总结

通过仿真和试验验证，结果显示电机的冷却风路设计完全满足电机散热的需要，结构设计是成功的。该台高温超导电机的研制成功，使我公司在特殊产品制造上实现重大突破，标志着我公司在电机制造上又填补了一项国内空白，并为我公司后期开发研制更大容量的高温超导电机积累了宝贵的经验、奠定了扎实的基础。