大型發電電動機轉子冷卻結構論證與計算分析

安志華，秦光宇，韓榮娜，遲速，蔣寶鋼

（哈爾濱電機廠有限責任公司，黑龍江省哈爾濱市 150040）

0 引言

從電力系統的電力電量平衡和提高電網穩定性等方面考慮，發電電動機在現代電力系統中占有相當重要的位置。需求的蓄能發電電動機單機和每極容量不斷提高，像目前開發的敦化、長龍山、陽江等發電電動機的每極容量遠高于三峽的9.72MVA/極。大型發電電動機極數少、空間，壓力源設計受到嚴重制約，另外，這類發電電動機的轉子電密、線負荷等發熱參數比較高，損耗的加大無疑加重了通風系統的負擔。對于這類發電電動機定子可采用蒸發冷卻等方式，但從安全可靠性考慮，轉子主要是依賴空氣冷卻，因此，大型發電電動機轉子的冷卻問題成為開發的難點與核心技術。

本文采用流體動力分析的方法計算了發電電動機的風量分配，采用有限元法計算了各部分溫度分布，對比了大型發電電動機轉子不同結構對勵磁繞組冷卻效果的影響，通過試驗驗證和數據分析，選擇適合的勵磁繞組冷卻方式用于這類發電電動機轉子的設計，解決勵磁繞組的發熱問題。

1 轉子勵磁繞組冷卻結構及風量分配計算分析

1.1 轉子勵磁繞組冷卻結構

大型發電電動機的通風系統主風路與常規水輪發電機是基本相似的，但通風系統可驅送的風量往往難于滿足發熱部件冷卻的需要。為了利用有效的冷卻流量達到更理想的冷卻效果，本文介紹3種不同冷卻結構的勵磁繞組，針對不同勵磁繞組的冷卻結構，主風路的設計需進行不同的配合設計，形成的3種冷卻方式見圖1。

圖1 勵磁繞組的冷卻方式Fig．1 The cooling methods of field coil

單面通風結構，在制造工藝上是比較成熟的，空氣冷卻勵磁繞組極間的表面，勵磁繞組靠磁極側用絕緣材料填充，不形成風路。單面冷卻結構形成的風路相對雙面冷卻結構風阻要小些，但轉子冷卻方式的改變對發電電動機的總風量等影響較小。在中低轉速的發電電動機的設計中，較為廣泛采用單面冷卻結構。相比其他兩種雙面冷卻結構，冷卻流體與勵磁繞組的接觸面積要小很多，能夠帶走的熱量也相對要少一些，在冷卻條件相近的情況下，勵磁繞組的溫度會高一些。這種結構對于風量充足的發電電動機來說，轉子的安全性更高。對于大容量、高轉速的發電電動機（轉速500r/min以上），通風系統產生的風量一般難于滿足要求，而這類發電電動機的電磁發熱參數又較高，為了增強冷卻能力，希望通過采用徑向雙面冷卻和周徑向雙面冷卻來改善轉子冷卻條件。在制造工藝上，徑向雙面冷卻不僅由極間流過的空氣冷卻勵磁繞組，而且勵磁繞組靠磁極側采用分段絕緣材料填充，在磁極與勵磁繞組間形成風路，流過該風路的空氣從絕緣托板流入極間，形成徑向雙面冷卻結構。周徑向雙面冷卻與徑向雙面冷卻的區別在于空氣流入磁極與勵磁繞組間形成風路后，由勵磁繞組銅線寬度方向上開的多段通風孔直接流入極間。相對徑向雙面冷卻結構，周徑向雙面冷卻結構更適合勵磁銅線略厚一些的勵磁繞組。

1.2 不同轉子冷卻對風量分配的影響

本文針對發電電動機對三種轉子冷卻方式下的風量分配進行了計算，發電電動機主要結構尺寸見表1。通風冷卻系統計算，理論上可以用N-S方程及流體連續性方程求解系統內冷卻空氣的三元流場問題。但實際上由于系統內冷卻空氣過流情況十分復雜，邊界條件不易確定，所以將冷卻空氣的過流通道簡化為由集中參數構成的類似于電路的支路，就是等值風路進行求解。

表1 發電電動機主要結構參數Tab.1 Main structural parameters of the motor/generator

根據發電電動機結構特點建立計算網絡進行冷卻系統風量計算，詳細計算結果見表2。從數據上看，轉子勵磁繞組的冷卻結構對于總風量及勵磁繞組外側的風量影響較小，徑向雙面冷卻和周徑向雙面冷卻的勵磁繞組內側風量雖然占總風量比例很小，但其過流面積不大，風速是比較高的，流體的紊流狀態增加，對于勵磁繞組的冷卻是有一定改善的。雙面冷卻結構的勵磁繞組外側風速變化不大，對表面散熱系統的影響較小。總體來說，勵磁繞組處的流量重新分配后可實現降低勵磁繞組溫升的目的。

表2 不同結構的風量計算結果對比Tab.2 Comparison of calculating results of air flow under different structures

2 轉子勵磁繞組冷卻結構的試驗論證

2.1 轉子流體與發熱模型

大型發電電動機轉子流體與發熱模型的設計主要有兩方面的問題，一個是轉子的冷卻問題；另一個是被試磁極的設計理念。轉子的冷卻問題涉及整個冷卻風路的形成與壓力源的提供。模型是按與真機1∶1的比例進行設計的，圓周取真機的1/4，即模型包含3個磁極。模型包括定子裝配、轉子裝配、通風系統、轉子支墩、密封板、超速坑基礎板等。模型的設計考慮了真機流體流動上的特點，采用兩個大風機模擬轉子風扇，提供與真機相同的流量來冷卻轉子勵磁繞組；考慮轉子旋轉產生的壓力和驅送的風量選擇兩個小風機，兩個小風機通過通風系統部套與轉子磁軛入風口相連，形成冷卻轉子勵磁繞組的過流通道。圖2為轉子流體與發熱模型裝置主體。

圖2 轉子流體與發熱模型主體Fig．2 The main body of the rotor fluid and thermal model

2.1.1 模型冷卻器的設計

轉子流體與發熱模型涉及發熱部件與冷卻氣體之間的熱交換，冷卻氣體通過發熱部件后逐漸變熱，需要冷卻器與之進行熱交換，以維持試驗風洞內的溫度在要求的范圍內。根據勵磁繞組的損耗及通風系統內產生的損耗進行了冷卻器尺寸的選擇與設計，表3為冷卻器的基本技術參數及換熱性能。冷卻器上設計有進水和出水管，進水和出水管連接到試驗室的供水系統，形成冷卻水回路，為冷卻器提供冷卻水。

表3 空氣冷卻器主要參數Tab.3 Main parameters of the air cooler

2.1.2 風機的選擇

為了滿足不同試驗工況的要求，風機的拖動電動機選擇了變頻電動機，保證風量在一定范圍內可調。兩個模擬風扇的大風機的流量范圍為15.46～17.63m3/s，兩個模擬轉子旋轉的小風機的工作范圍為5.72～6.28m3/s。

2.1.3 供電系統

轉子流體與發熱模型轉速以500r/min大型發電電動機為原型，選擇3個磁極進行設計。考慮供電設備和勵磁電流等因素，3個磁極并聯，所以，試驗電壓不高。電流要達到額定或經幾個電流下所獲得的溫升進行推導都可獲得勵磁繞組的溫度分布情況。轉子熱模型的設計考慮了不同的冷卻結構，對于每一個結構，在相同壓力源的條件下，選擇通過3個不同電流推導至額定電流下溫升的方法來研究轉子的溫度分布情況。試驗時，電源由380V的交流電通過調壓器（0～650V）給可控硅整流供電系統內的變壓器（1∶15）進行降壓供電，然后通過可控硅整流為直流電進行試驗。試驗電流分別為1100、1400A和 1700A左右。

2.2 模擬試驗結果的分析

由于試驗數據繁多，這里針對3種轉子冷卻方式，只給出同一供風條件（風機工作頻率45Hz）、接近的試驗電流和冷卻水量下的溫度分布數據。勵磁繞組各測點溫度（單面冷卻）見表4；勵磁繞組各測點溫度（徑向雙面冷卻）見表5；勵磁繞組各測點溫度（周徑向雙面冷卻）見表6。

表4 勵磁繞組測點溫度（單面冷卻）Tab.4 The test point temperature of the field coil with the single-side cooling structure

表5 勵磁繞組測點溫度（徑向雙面冷卻）Tab.5 The test point temperature of the field coil with the radial dual-side cooling structure

表6 勵磁繞組測點溫度（周徑向雙面冷卻）Tab.6 The test point temperature of the field coil with the circumferential-radial dual-side cooling structure

從散熱面積看，單面冷卻結構只是在極間的勵磁繞組表面進行對流散熱，靠近極身側沒有過流通道，只能與極身絕緣、極身等以熱傳導的方式傳遞熱量，散熱能力較弱，分析試驗數據說明，雙面冷卻結構溫度分布較均勻，溫度略低。周徑向雙面冷卻結構在勵磁繞組寬度方向上開設了通風槽，相比徑向雙面冷卻結構，極身絕緣側過流通道阻力更小，冷卻流體直接與勵磁繞組接觸，冷卻效果更好。

應用不同工況勵磁繞組溫度測試數據繪制了勵磁繞組最高點的溫升與勵磁電流平方的關系曲線，詳細的曲線如圖3所示。

不同冷卻結構下的溫升對比說明周徑向雙面冷卻結構較單面冷卻和徑向雙面冷卻兩種結構更有利于滿足高勵磁參數冷卻的要求。

2.3 勵磁繞組試驗工況的計算結果

圖3 最高點溫升與勵磁電流平方的關系曲線Fig．3 The relationship between the highest temperature rise and square of the exciting current

圖4 單面冷卻結構勵磁繞組計算結果Fig．4 Calculation result of the field coil with single-side cooling structure

圖5 徑向雙面冷卻結構勵磁繞組計算結果Fig．5 Calculation result of the field coil with dual-side cooling structure

本文應用ANSYS有限元軟件分別對磁極繞組為單面冷卻結構、徑向雙面冷卻結構和周徑向雙面冷卻結構，進行了試驗工況溫度場計算，計算結果見圖4～圖6。其中，圖4給出的單面冷卻結構勵磁繞組計算結果，是針對風機工作頻率為45Hz、勵磁電流為1613.5A試驗工況進行計算的；圖5給出的徑向雙面冷卻結構勵磁繞組計算結果，是針對風機工作頻率為45Hz、勵磁電流為1673.7A試驗工況進行計算的；圖6給出的周徑向雙面冷卻結構勵磁繞組計算結果，是針對風機工作頻率為45Hz、勵磁電流為1675.1A試驗工況進行計算的。

圖6 周徑向雙面冷卻結構勵磁繞組計算結果Fig．6 Calculation result of the field coil with circumferentialradial dual-side cooling structure

計算結果說明：在與試驗工況相同電流和冷卻條件下，計算結果與實測值基本吻合。

3 結論

不同轉子冷卻結構下的勵磁繞組能夠達到的冷卻效果的試驗對比表明，單面冷卻結構勵磁繞組的溫度呈兩端低，中間高的規律，兩種雙面冷卻結構的勵磁繞組溫度分布相對單面通風結構略均勻，各部分溫升可降低5～15K左右。

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