起重機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及溫升運(yùn)行特性分析

王浩瀟， 韓雪巖， 馬 鑫， 寧 杰

(沈陽工業(yè)大學(xué) 國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)中心， 遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

傳統(tǒng)起重機(jī)起升機(jī)構(gòu)的電動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置通常由減速器、制動(dòng)器、聯(lián)軸器、電動(dòng)機(jī)、卷筒等組成。為了應(yīng)對不同重量的貨物可能還設(shè)有主、副鉤起升機(jī)構(gòu)，需配備兩套不同容量的傳動(dòng)裝置，使得結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜。本文研究的適用于起重機(jī)的新型驅(qū)動(dòng)裝置采用了外轉(zhuǎn)子低速大轉(zhuǎn)矩永磁同步電機(jī)(PMSM)直驅(qū)的方式。直驅(qū)的結(jié)構(gòu)省去了減速機(jī)、聯(lián)軸器等部件，減少了連接部件以及傳動(dòng)路線上的機(jī)械損耗，提高了傳動(dòng)效率。永磁電機(jī)本身具備體積小、質(zhì)量輕、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。本驅(qū)動(dòng)裝置還實(shí)施了外轉(zhuǎn)子與卷筒一體化的設(shè)計(jì)，利用變頻調(diào)速功能應(yīng)對不同重量的起升，比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)做到了極大的簡化[1]。

新型驅(qū)動(dòng)裝置,即卷筒一體化電機(jī),在提升重物時(shí)，PMSM負(fù)載大，電流大，所產(chǎn)生的銅耗就會很大。而電機(jī)為外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子區(qū)域被氣隙隔開，氣隙熱阻較大，熱量不能很好地散出。起重機(jī)頻繁起停的特點(diǎn)也有別于其他設(shè)備。

對于起重機(jī)新型驅(qū)動(dòng)裝置溫度場和散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，文獻(xiàn)[2]對一臺9.76 kW小功率起重機(jī)用PMSM冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)及優(yōu)化,對比了空心軸冷卻方式和由端蓋引風(fēng)在定子軸向設(shè)冷卻風(fēng)道的冷卻結(jié)果，認(rèn)為后一種冷卻方式較為理想。文獻(xiàn)[3] 基于Fluent軟件，針對S3電機(jī)工作制，采用加載時(shí)變熱源的方式，對起重機(jī)用外轉(zhuǎn)子永磁電機(jī)進(jìn)行了三維瞬態(tài)溫度場數(shù)值計(jì)算與分析，通過與試驗(yàn)結(jié)果對比證明此方法較為準(zhǔn)確。文獻(xiàn)[4]采用熱網(wǎng)絡(luò)法對外轉(zhuǎn)子電機(jī)溫升進(jìn)行了瞬態(tài)計(jì)算，編程的方法在計(jì)算速率上較快，但相對于有限體積法等方法存在一定誤差。

本文基于流固耦合和傳熱學(xué)理論模型，利用Fluent仿真軟件對起重機(jī)用卷筒一體化電機(jī)進(jìn)行瞬態(tài)溫度場仿真分析。通過軟件的三維瞬態(tài)溫度場計(jì)算具有一定的準(zhǔn)確性[5]，通過仿真結(jié)果與樣機(jī)試驗(yàn)的對比加以證明。本計(jì)算針對大功率卷筒一體化電機(jī)，結(jié)合起重機(jī)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和永磁電機(jī)的特點(diǎn)以及絕緣等級的要求設(shè)計(jì)冷卻結(jié)構(gòu)，并分析其在各工況下的溫升情況及適用性。

1 起重機(jī)運(yùn)行特點(diǎn)及電機(jī)物理模型

根據(jù)起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊[6],機(jī)構(gòu)工作級別是設(shè)計(jì)起重機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，卷筒一體化電機(jī)作為起重機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)首先應(yīng)滿足基本設(shè)計(jì)要求。表明機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)長的機(jī)構(gòu)利用等級設(shè)置為T0～ T9，如表1所示。表明結(jié)構(gòu)受載情況的載荷狀態(tài)設(shè)置為L1～ L4，如圖1所示，橫坐標(biāo)為機(jī)構(gòu)在每100 min內(nèi)不同載荷下的使用時(shí)間，縱坐標(biāo)為負(fù)載率。

表1 機(jī)構(gòu)利用等級

圖1 典型載荷圖

其中由載荷狀態(tài)L1～ L4與機(jī)構(gòu)利用等級T0～T9組合成機(jī)構(gòu)工作級別M1～M8。M8為機(jī)構(gòu)工作最高級別，對應(yīng)組合L1T9、L2T8、L3T7、L4T6。

卷筒一體化電機(jī)為細(xì)長型結(jié)構(gòu)，設(shè)備兩端支撐固定，一側(cè)裝有編碼器，另一側(cè)端蓋設(shè)為制動(dòng)盤，外轉(zhuǎn)子作為卷筒使用，永磁體粘貼在卷筒內(nèi)壁，其結(jié)構(gòu)及詳細(xì)尺寸如圖2及表2所示。

2 流體場溫度場數(shù)學(xué)模型

2.1 流體場及溫度場數(shù)學(xué)模型

在求解卷筒一體化電機(jī)冷卻系統(tǒng)流體流動(dòng)時(shí)需利用到流體質(zhì)量守恒方程：

圖2 卷筒一體化電機(jī)爆炸圖

表2 樣機(jī)尺寸參數(shù)

(1)

式中：ρ為流體密度；u為流體的速度矢量。

在處理流體黏性作用時(shí)要滿足動(dòng)量守恒方程。

X方向動(dòng)量守恒方程為

(2)

Y方向動(dòng)量守恒方程為

(3)

Z方向動(dòng)量守恒方程為

(4)

式中：p為流體單元上所受的壓力；τxx、τyx、τzx、τxy、τyy、τzy、τxz、τyz、τzz為流體單元的剪應(yīng)力分量；fx、fy、fz為流體單元在x、y、z方向所受的單位質(zhì)量力。

電機(jī)內(nèi)部熱交換需要滿足能量守恒方程：

-PdivU+div(λgradT)+Φ+Sh

(5)

式中：u、v、w分別為流體的速度分量；h為流體的比焓；T為流體溫度；λ為導(dǎo)熱系數(shù)；Sh為流體的內(nèi)熱源；Φ為由于黏性作用機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能的部分。

流固耦合熱傳導(dǎo)瞬態(tài)方程：

(6)

式中：λx、λy、λz分別為電機(jī)導(dǎo)熱介質(zhì)在x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；q為流體溫度。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流數(shù)學(xué)模型

由于卷筒一體化電機(jī)內(nèi)流體雷諾數(shù)較大，屬于紊流狀態(tài)。因此采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε紊流數(shù)學(xué)模型，其控制方程為

(7)

式中：k為脈動(dòng)動(dòng)能，即k方程；ε為能量耗散率，即ε方程；Gk為紊流產(chǎn)生率；u為流體的速度矢量；ρ為流體密度；μi為紊流黏性系數(shù)；Cε1、Cε2為常量；σk、σg為紊流普朗克常數(shù)。

3 驅(qū)動(dòng)裝置冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

卷筒一體化電機(jī)繞組溫升按F絕緣考核[6]，根據(jù)機(jī)構(gòu)工作級別，分別對4種載荷狀態(tài)的最高級別M8進(jìn)行溫升瞬態(tài)仿真，得出在最大載荷狀態(tài)下的最優(yōu)冷卻方案。

由于起重機(jī)應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，對于密閉性有一定要求，考慮電機(jī)定子繞組為主要發(fā)熱源且靠近電機(jī)軸側(cè)，采用如圖3的空心軸冷卻結(jié)構(gòu)。

圖3 空心軸冷卻結(jié)構(gòu)圖

對于外轉(zhuǎn)子電機(jī)，軸向風(fēng)冷效果較好[7],在軸內(nèi)開孔工藝上相對簡單且不破壞電機(jī)主體結(jié)構(gòu)及封閉性，封閉式風(fēng)冷結(jié)構(gòu)能有效地解決灰塵問題，并減小風(fēng)扇噪聲[8]。電機(jī)轉(zhuǎn)速為12.8 r/min。數(shù)值較低，對轉(zhuǎn)軸通風(fēng)影響較小，本文針對空心軸風(fēng)冷冷卻方式的考慮，忽略了轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)影響。本電機(jī)轉(zhuǎn)軸軸徑較大，設(shè)計(jì)空心軸冷卻時(shí)，可開取較大孔徑，適合配軸流風(fēng)機(jī)強(qiáng)制風(fēng)冷保證一定的風(fēng)量來提高冷卻效果。

保證電機(jī)高效運(yùn)行，需要合理設(shè)計(jì)通風(fēng)結(jié)構(gòu)尺寸。通過Fluent軟件對空心軸流體進(jìn)行仿真，對不同流速及空心軸孔徑進(jìn)行比較,確定適用的冷卻結(jié)構(gòu)條件。

圖4所示為3種流速下不同空心軸管徑的阻力值，可見所選管徑在310 mm時(shí)阻力值最低，相對流體流動(dòng)效率較高。

圖4 空氣流速與空心軸管徑關(guān)系圖

選定空心軸孔徑為310 mm，計(jì)算在統(tǒng)一管徑相同流速下的阻力值，如圖5所示。空心軸軸孔通入氣體后，流體流阻隨流速增加而增大。在溫度場仿真計(jì)算時(shí)，按達(dá)到絕緣等級要求為條件選取最適流速。

圖5 空心軸內(nèi)流體流速與流阻關(guān)系圖

4 樣機(jī)溫升試驗(yàn)及溫度場計(jì)算

4.1 溫升試驗(yàn)與仿真結(jié)果對比分析

對卷筒一體化電機(jī)樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，采用自動(dòng)控制平臺，只要將電機(jī)固定好，就可以對電機(jī)進(jìn)行空載、負(fù)載試驗(yàn)，避免了人為誤差對試驗(yàn)結(jié)果的影響，提高了試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖6為試驗(yàn)平臺實(shí)物圖。測試當(dāng)日室溫29 ℃，在樣機(jī)電樞繞組表面預(yù)埋溫度傳感器測量繞組溫度，仿真數(shù)值與測試點(diǎn)保持一致。電機(jī)的熱試驗(yàn)，按照S3-30%工作制進(jìn)行，設(shè)備運(yùn)行時(shí)間為450 min，在自然風(fēng)冷條件下進(jìn)行。按相同條件通過軟件進(jìn)行仿真計(jì)算，將測得試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。圖7為通過軟件進(jìn)行瞬態(tài)仿真的繞組最大溫升點(diǎn)曲線圖，圖8為試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)曲線，表3為兩者的溫升值比較。

圖6 樣機(jī)系統(tǒng)熱試驗(yàn)實(shí)物圖

表3 溫升值比較

由表3中數(shù)據(jù)可知，在無冷卻散熱系統(tǒng)下，有限體積法溫度場仿真溫升值與試驗(yàn)溫升值誤差小于10%，瞬態(tài)場溫升仿真曲線與試驗(yàn)實(shí)測溫升曲線趨勢基本相同,證明了溫度場有限體積法的科學(xué)性。但在運(yùn)行至450 min后，繞組溫升已接近絕緣等級的要求，因此在確定算法有效性的前提下，考慮設(shè)備的長期運(yùn)行，對增加空心軸冷卻的情況進(jìn)行仿真計(jì)算，設(shè)計(jì)適用于系統(tǒng)的合理冷卻結(jié)構(gòu)。

圖7 S3-30%工作制450 min繞組最大溫升曲線圖

圖8 樣機(jī)實(shí)測繞組最大溫升曲線圖

4.2 熱源的確定

現(xiàn)代大中型電機(jī)的溫度場計(jì)算中，多認(rèn)為電機(jī)熱源是恒定的，未考慮電機(jī)特殊工作制的影響、受材料特性的影響，起重機(jī)用永磁電機(jī)中的各種損耗在電機(jī)運(yùn)行過程中是時(shí)刻變化的[9]；在暫態(tài)計(jì)算中一般未考慮熱源的時(shí)變效應(yīng)[10]。卷筒一體化電機(jī)中銅耗要遠(yuǎn)大于鐵耗，幾乎是電機(jī)的主要損耗。為了簡化計(jì)算，在起重機(jī)用永磁電機(jī)瞬態(tài)熱計(jì)算中忽略其他損耗的時(shí)變效應(yīng)，即不考慮溫度變化引起的電機(jī)電磁性能及熱源的變化，只考慮起重機(jī)用驅(qū)動(dòng)裝置繞組銅耗的時(shí)變效應(yīng)。

4.3 溫度場仿真計(jì)算分析

由于起重機(jī)是斷續(xù)工作制運(yùn)行方式，在仿真計(jì)算時(shí)需要加載時(shí)變熱源，F(xiàn)luent的用戶自定義功能(UDF)可以較好處理溫升計(jì)算中自定義函數(shù)的問題，根據(jù)所需的運(yùn)行時(shí)間加載時(shí)變熱源的條件進(jìn)行編程，再由軟件加載后計(jì)算。

對起重機(jī)4種M8工作級別進(jìn)行瞬態(tài)溫升計(jì)算，比較選出溫升變化最高的一組，對其進(jìn)行后續(xù)計(jì)算，以證明冷卻系統(tǒng)的適用性。

對4種工作級別都采用300 min模擬計(jì)算，對于載荷狀態(tài)的處理，根據(jù)圖1所示，結(jié)合實(shí)際工況，考慮載荷均勻分布，取每100 min為一個(gè)載荷變化周期。機(jī)構(gòu)利用等級，參照電機(jī)S3斷續(xù)工作制每10 min為一個(gè)變化周期，對于T6～T9分別取負(fù)載持續(xù)率為10%、20%、40%、80%，進(jìn)行近似計(jì)算。

冷卻結(jié)構(gòu)優(yōu)先選取空心軸風(fēng)冷，空心孔徑選取為310 mm，入口設(shè)軸向風(fēng)機(jī)鼓風(fēng)。在風(fēng)冷系統(tǒng)中，冷卻介質(zhì)空氣的流速是影響冷卻效果的一個(gè)重要因素，經(jīng)過分析，初選取進(jìn)口風(fēng)速為30 m/s，進(jìn)口風(fēng)量為7 884 m3/h，進(jìn)口壓力約217 Pa。按以上條件進(jìn)行Fluent仿真計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖9及表4所示。

圖9 起重機(jī)4種工作級別瞬態(tài)溫升曲線

表4 300 min瞬態(tài)計(jì)算繞組最大溫升

由表4可知，繞組最大溫升出現(xiàn)在L1T9時(shí)所對應(yīng)的M8工作級別，分別取空氣流為10、20、30 m/s對其進(jìn)行24 h瞬態(tài)溫升計(jì)算。其結(jié)果如圖10及表5所示。

在最大流速為30 m/s時(shí)，繞組最大溫升為98.4 K，溫升小于100 K,符合F絕緣等級標(biāo)準(zhǔn)，其他部件溫升均小于此標(biāo)準(zhǔn)，永磁體溫度小于退磁溫度。隨著流速的增加，流體流阻變大，冷卻效率低，相對于20 m/s時(shí)冷卻效果提升較小。在30 m/s時(shí)Fluent仿真各部件溫升分布及流體狀態(tài)如圖11所示。

圖10 L1 T9 工作級別24 h繞組最大溫升曲線

表5 24 h瞬態(tài)計(jì)算各部件最大溫升

圖11 L1 T9工作級別各部件24 h最大溫升與流體場仿真結(jié)果圖

4.4 溫升運(yùn)行特性分析

根據(jù)起重機(jī)機(jī)構(gòu)不同的工作等級，分析卷筒一體化電機(jī)溫升受不同利用等級及載荷狀態(tài)影響的趨勢。在冷卻條件不變的情況下，L1輕載時(shí)，利用等級T6～T9時(shí)溫升變化如圖12、圖13所示。

圖12 L1 載荷不同利用等級300 min繞組最大溫升點(diǎn)曲線

圖13 L1 載荷不同利用等級300 min主要部件溫升對比

利用等級為T6時(shí)，不同載荷下的溫升狀態(tài)變化如圖14、圖15所示。

圖14 T6利用等級不同載荷300 min繞組最大溫升點(diǎn)曲線

圖15 T6利用等級不同載荷300 min繞組最大溫升點(diǎn)曲線

電機(jī)溫升隨利用等級和載荷狀態(tài)的提高都有一定的增加，而利用等級對溫升影響更大，尤其對于繞組處溫升。永磁體及轉(zhuǎn)子鐵心由于溫升相對較小變化較不明顯。

4.5 驅(qū)動(dòng)裝置極限運(yùn)行溫升分析

起重機(jī)設(shè)計(jì)手冊主要針對驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)是傳統(tǒng)異步電機(jī)的形式，本文所討論的是以具有更強(qiáng)性能的永磁電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)主體的裝置，而且起重機(jī)在實(shí)際使用當(dāng)中難免會出現(xiàn)連續(xù)大負(fù)荷運(yùn)行的情況，這時(shí)需要考慮在極端情況下起重機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置適用的冷卻方式。

依然采用空心軸通入空氣的強(qiáng)制風(fēng)冷方式，進(jìn)口風(fēng)速、風(fēng)量、壓力與上文條件保持一致，對新型驅(qū)動(dòng)裝置按滿載狀態(tài)下連續(xù)運(yùn)行方式進(jìn)行仿真。結(jié)果如圖16所示。

圖16 滿載連續(xù)運(yùn)行時(shí)繞組最大溫升點(diǎn)曲線

驅(qū)動(dòng)裝置在連續(xù)工作至接近120 min時(shí)繞組最大溫升已經(jīng)超過F絕緣所要求的100 K。其結(jié)果說明空心軸風(fēng)冷結(jié)構(gòu)可短時(shí)運(yùn)行在滿負(fù)荷連續(xù)工作制下，但是仍無法處理極端適用情況，所以此時(shí)需要考慮冷卻效果更好的水冷方式。

5 結(jié) 語

本文根據(jù)起重機(jī)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行特性，基于Fluent流體場仿真軟件對一臺90 kW起重機(jī)新型驅(qū)動(dòng)裝置進(jìn)行仿真分析，設(shè)計(jì)不同散熱結(jié)構(gòu)，分析研究不同結(jié)構(gòu)以及不同運(yùn)行方式對冷卻效果的影響。得出結(jié)論如下：

(1) 按照傳統(tǒng)起重機(jī)配異步電機(jī)設(shè)計(jì)要求，根據(jù)機(jī)構(gòu)工作級別，選取空心軸冷卻方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真計(jì)算，其溫升值滿足起重設(shè)備F級絕緣要求。

(2) 考慮以PMSM為核心組成的新型驅(qū)動(dòng)裝置相對于傳統(tǒng)起重裝備在性能優(yōu)化上的提升，對其進(jìn)行極限工作制仿真，得出空心軸風(fēng)冷方式在F絕緣等級要求下可執(zhí)行的最大工作時(shí)間為120 min，且不適用于長期連續(xù)工作。

(3) 根據(jù)對溫升運(yùn)行特性的比較計(jì)算，起重機(jī)利用等級相對于載荷對于繞組最大溫升值的影響更大。

(4) 通過有限體積法溫度場仿真得到設(shè)備在S3-30%斷續(xù)工作制、空心軸自然風(fēng)冷狀態(tài)下運(yùn)行450 min多個(gè)時(shí)刻溫升值,與實(shí)際樣機(jī)試驗(yàn)溫升值相比較，誤差均小于10%，證明有限體積法計(jì)算的準(zhǔn)確性。