橫向磁場電勵磁磁通切換磁懸浮直線電機溫度場有限元分析

李佳雨, 藍益鵬

(沈陽工業大學 電氣工程學院,遼寧 沈陽 110870)

0 引 言

橫向磁場磁通切換電勵磁磁懸浮直線電機(TMFFSEEMSLM)主要應用于磁懸浮列車的驅動系統,將橫向磁通與磁懸浮技術相結合,實現了進給、懸浮、導向一體化,電勵磁形成的氣隙磁場可調,有利于實現懸浮力的調節[1]。TMFFSEEMSLM使用的是短動子、長定子結構,電樞繞組和勵磁繞組都位于電機動子上,從而降低了電機的制造成本,特別適合長距離的軌道交通運輸系統[2]。

由于該電機勵磁繞組和電樞繞組都在短動子這一特殊結構上,當繞組被加載時,該電機的發熱將集中在動子側,散熱困難,從而引起各種故障,降低其使用壽命。因此,需要對其溫度場進行研究。文獻[3]以一種長定子短動子圓柱形直線電機為對象,針對其運行工況,選擇不同的溫度場計算區域,采用有限元方法構建其二維等效計算模型,給出其等效對流傳熱系數的確定方法。但相較于三維仿真可以模擬物體在三維空間中的運動,可以更準確地計算物體之間的相互作用力和運動軌跡,二維仿真不能更好地滿足實際需求。溫度場計算模型中,文獻[4]給出基本假設和邊界條件,對扁平型直線異步電機進行求解,通過計算得出在靜止狀態下的溫升規律。但在工作過程中,由于動子與氣隙之間的氣流運動,以及動子和定子的相對位置等因素的影響,用這種靜態方法來計算線性電機的溫升,對不同工作狀態下電機的溫升有較大的限制,并不準確。文獻[5]在時域溫度場有限公式法數學模型的基礎上,采用迭代弱耦合分別對簡單幾何體的三維感應電熱問題進行了研究。文獻[6]對一個簡單微機電系統展開了溫度場強耦合分析,由此看出,有限公式法在耦合場計算上,具有較小計算量的優點。文獻[7]通過熱網絡分析建立高壓永磁同步電機轉子三維溫度場仿真計算模型,以散熱系數和構件溫度之間的非線性關系為前提,提出了一種新的端部散熱系數計算方法,為散熱系數求解拓寬了思路。

因為本文所研究的TMFFSEEMSLM為橫向磁場,其磁場在空間中為三維分布,其電樞繞組的繞制方向與電機的運動方向平行,所以在確定溫度場的求解域時也與常規直線電機不同,因此不能僅對定子與動子相耦合的區域進行單獨的考慮,需要構建包括勵磁線圈、電樞線圈及氣隙在內的三維結構的溫度場模型[8]。同時,對電機各個部件的損耗進行了計算,并導入Workbench用有限元方法對其進行了溫度場的模擬。基于其自然散熱條件下的溫度分布,設計了冷卻系統并驗證了冷卻效果,為電機的實際應用提供了重要參考。

1 TMFFSEEMSLM的運行原理

1.1 TMFFSEEMSLM結構

圖1為TMFFSEEMSLM電機結構示意圖,動子鐵心采用雙H結構,電樞繞組安裝在橫梁上,接通正弦交流電;兩個H型鐵心的橫梁上各安裝一個勵磁繞組,通入直流電形成兩個相反充磁方向的永磁體;定子鐵心采用交錯排列的U型結構。TMFFSEEMSLM電機的基本參數見表1。

表1 TMFFSEEMSLM電機參數

圖1 TMFFSEEMSLM的結構示意圖

1.2 磁通切換原理

磁通切換指的是繞組里匝鏈的正負磁通極性及值的大小,將按照轉子所處的不同位置進行切換。初級磁通回路與TMFFSEEMSLM垂直,而勵磁繞組的磁場則穿過初級鐵心和氣隙進入次級鐵心和氣隙,從而形成一條閉合的磁通回路。空載運行時,原動機拖動其做直線運動。圖2(a)～(d)為四種電角度下動子的磁通回路方向。

圖2 不同電角度磁通回路方向

(1) 在電角度為90°時,第一個和第三個動子齒與其相對應的定子齒完全對應,勵磁繞組的磁通完全經過左側的一個定子形成磁通回路,方向為逆時針,合成磁鏈為正向最大。

(2) 在電角度為180°時,動子齒與不同的定子齒有重合,形成兩個不同的磁通回路,一部分是順時針,另一部分為逆時針,產生的磁鏈方向相反,幅值相同,經過疊加后相互抵消,故合成磁鏈為零,電機處于第一平衡位置。

(3) 在電角度為270°時,第二個和第四個動子齒與其相對應的定子齒完全重合,勵磁繞組的磁通完全經過右側的一個定子,磁通回路方向為順時針,合成磁鏈為負向最大。

(4) 在電角度為360°時,此時動子齒與定子齒再次形成兩個不同的的磁通回路,一部分為逆時針,另一部分為順時針,兩者經過疊加后的合成磁鏈為零,電機處于第二平衡位置。

1.3 TMFFSEEMSLM的電磁推力

在TMFFSEEMSLM負載運行時,電流通過電樞線圈。在電機的空氣間隙內,由勵磁電流引起的磁動勢分別為Fm、Fn,由電樞電流引起的磁動勢分別為F1和F2。如圖3所示,在該位置時,通入正向電樞電流,合成磁動勢滿足F1+Fm>F2-Fn,根據電機的“最小磁阻”原理,可以看出動子鐵心運動趨勢為由1到2。利用電樞電流與激磁電流所形成的磁通交鏈,實現了電機在直線運動中的牽引。

圖3 動子運行位置

1.4 TMFFSEEMSLM的懸浮力

TMFFSEEMSLM的懸浮力來自于勵磁線圈在空氣間隙內產生的磁場和電機定子鐵心之間的相互影響。只有在磁浮列車受到的引力等于這種磁拉力的情況下,才能達到懸浮的目的。另外,還可以通過調整激勵電流,使其在各種重力條件下保持穩定的懸浮。

1.5 TMFFSEEMSLM的導向力

如圖4所示,TMFFSEEMSLM的導向力產生是由于電機在運行時出現動子部分的橫向偏移,最小磁阻理論是指磁通將沿磁阻最小的路徑封閉,所以當動子鐵心運動時,其中軸線會被驅使與磁場的中軸線重合。在此過程中形成的牽引力就是TMFFSEEMSLM的導向力。

圖4 導向力原理圖

2 溫度場模型以及熱參數計算

2.1 三維溫度場數學模型以及邊界條件

根據熱傳導理論,電機內部的熱傳輸有導熱、對流和輻射三種途徑。空氣中電機的熱量交換主要涉及熱對流和熱輻射兩種方式。但是在這種電機中,熱輻射所產生的熱能很少,所以在進行電機溫度場的計算時,只有熱傳導和對流兩種情況被考慮。在傅里葉定律、能量守恒定律和傳統的熱傳導理論的基礎上,構建了以下電機的熱傳導模型,并給出了其邊界條件[9]:

(1)

式中:λ為材料導熱系數,對于各向同性材料λx=λy=λz;S1為溫度邊界面;S2為熱對流邊界面;T為電機表面溫度;T0為周圍介質溫度;q為熱源密度;α為對流換熱系數。

為了在不影響計算精度的情況下縮短計算時間,構建三維溫度場的數學模型需要作以下幾個基本假定[10]:

(1) 環境溫度恒定為 25 ℃,不受電機散熱的影響;

(2) 電機中熱源隨溫度的變化忽略不計;

(3) 機械損耗忽略不計;

(4) 不考慮熱輻射對電機的影響。

2.2 導熱系數

隨著電機溫度的升高,電機材料會發生屬性上的變化,這會對電機的運行產生影響。當材料沒有到達熔化或蒸發的程度時,其熱傳導率一般與溫度成線性關系[11]:

λ=λ0(1+bt)

(2)

式中:λ0為0 ℃時的導熱系數;b為由試驗確定的材料常數;t為環境溫度。

將電機運行的環境溫度設定為25 ℃并維持不變,TMFFSEEMSLM各部分的導熱系數如表2所示。

表2 電機材料的導熱系數 W/(m·k)

2.3 對流換熱系數

本文研究的TMFFSEEMSLM對流換熱是通過熱傳導和熱對流實現的。對流換熱現象存在于定子外表面、定子槽口、氣隙表面和轉子外表面等部分。因此,在選擇換熱系數時需要根據流體流動的形式來進行具體的選擇,采用不同的經驗公式進行計算。

(1) 外表面對流換熱系數

依據公式,在5～25 m/s之間的空氣流速v1與外表面對流換熱系數α1之間的關系可以下式來表達[12]:

(3)

式中:α0為在平靜大氣中熱表面的換熱系數;k為氣流效率存在時的系數。

因為在本論文中,電機的定子是靜止的,并且電機的外表面是自然的散熱體,因此將電機的對流換熱系數取α1=14.2 W/(m2·k)。

其他外表面的換熱系數可以通過下式計算[13]:

(4)

式中:λ為導熱系數,25 ℃時,λ=2.63×10-2W/(m·k);ν為空氣運動粘度,25 ℃時,ν=1.554×10-5m2/s;V為電機運行速度;d為電機寬度;Pr為普朗特數。

(2) 氣隙換熱系數

計算氣隙處的對流換熱系數時,可以用式(5)和式(6)先算出雷諾數Re和努塞爾數Nu[14]:

(5)

Nu=0.06Re0.7

(6)

式中:l為氣隙長度。

用式(7)可以計算出氣隙表面的對流換熱系數:

α3=Nuλ/l

(7)

電機對流換熱系數如表3所示。

表3 電機對流散熱系數 W/(m2·k)

3 熱源計算

3.1 鐵心損耗

電機的鐵心損耗分為兩種,分別是基本鐵耗和附加鐵耗。在此基礎上,還可以將基本鐵損耗劃分為磁滯損耗和渦流損耗。在不考慮因磁場諧波而產生的額外損耗的情況下,采用了50 Hz的頻率。在正弦磁通下,頻率范圍內的鐵耗為[15]

PFe=Khf(Bm)2+Kc(fBm)2+Ke(fBm)1.5

(8)

式中:Kh為磁滯損耗系數;Kc為渦流損耗系數;Ke為附加損耗系數;f為電機運行頻率;Bm為磁密幅值。

利用ANSYS仿真軟件對鐵耗進行了模擬,如圖5和圖6所示。

圖5 TMFFSEEMSLM空載鐵耗

圖6 TMFFSEEMSLM負載鐵耗

對電機進行模擬計算,結果表明TMFFSEEMSLM空載運行時,平穩后的鐵耗趨近于零;負載運行達到穩定后,鐵耗在4 ～7 W范圍內變化,用有限元方法計算平均為5.75 W。

3.2 繞組損耗

TMFFSEEMSLM有電樞繞組和勵磁繞組,根據焦耳-楞次定律,分別得到電樞繞組的銅耗和勵磁繞組的銅耗[16]。

(9)

式中:PD為電樞銅耗,PL為勵磁銅耗;ID為電樞電流有效值,IL為勵磁電流;RD為電樞線圈電阻,RL為勵磁線圈電阻。

由式(9)可以看出,繞組線圈的電流極大地影響了繞組損耗,并且還會導致電機工作發熱。其中阻值R可由計算得到:

(10)

式中:ρ為電阻率;L為線圈總長;S為線圈橫截面積。

經計算電樞繞組阻值為4.262 Ω,勵磁繞組阻值為5.328 Ω。利用ANSYS仿真軟件對銅耗進行了模擬,如圖7和圖8所示。

圖7 TMFFSEEMSLM空載銅耗

圖8 TMFFSEEMSLM負載銅耗

由模擬結果可知,空載狀態銅耗完全由勵磁線圈生成,TMFFSEEMSLM到達穩定后,銅耗平均值是1.1 kW,見圖7;負載狀態下,銅耗由勵磁線圈和電樞線圈共同生成,銅耗為1.266 65～1.268 5 kW,平均值為1.267 5 kW,見圖8。

3.3 生熱率

生熱率是電機單位體積內產生的熱量,計算式為

(11)

式中:Q為電機生熱率;W為其各部分損耗;Vm為電機各部分體積。

結合ANSYS仿真軟件模擬得到的鐵耗和銅耗,求出TMFFSEEMSLM各部件的生熱率如表4所示。

表4 TMFFSEEMSLM各部分生熱率 W/m3

4 溫度場有限元計算

將上文計算出的損耗結果導入Workbench軟件中分析空載和負載兩種工況運行時的穩態溫度場。

4.1 空載溫度

在以上所建立模型的基礎上,對TMFFSEEMSLM各部分的導熱系數、對流換熱系數和生熱率進行了計算。采用Workbench有限元軟件對空載情況下的溫度場進行了分析,有限元仿真結果如圖9所示。

圖9 空載有限元仿真結果

由圖9可知,空載時熱量主要集中在電樞線圈、勵磁線圈和動子鐵心。空載狀態下,線圈最熱點位于勵磁線圈達92.813 ℃。

4.2 負載溫度

負載情況下的有限元仿真結果如圖10所示。額定負載運行時,最高溫度仍處在繞組處,最高達到189.52 ℃,原因是電樞繞組與勵磁繞組都位于動子上,使其散熱相對困難。在自然降溫的情況下,電機的各個部位的溫度都已經超出了絕緣的極限,鐵心的溫度也超出常溫,導致電機的熱變形,進而影響電機的穩定性。

圖10 負載電機溫度場

5 TMFFSEEMSLM冷卻系統設計

5.1 水冷裝置設計

從上述有限元結果可以看出,TMFFSEEMSLM需要在初級進行冷卻。在電機中,常用的冷卻劑為兩種,一種為水,一種為油。在這兩種介質中,水綠色環保,成本較低,并且具有良好的冷卻效果,所以TMFFSEEMSLM采用水冷方法[17]。

對于冷卻系統的設計需要遵循以下原則:

(1) 水冷裝備的設計應該盡可能地平滑,以減小冷卻液的流阻;

(2) 水冷裝備與初級接觸面積大,以便增強散熱性能;

(3) 水冷設備易于安裝;

(4) 水冷設備對電機運行無影響。

本文選擇把冷卻裝置鑲嵌在動子鐵心處,采用具有良好導熱性能的鋁制S形水冷管。冷卻裝置水管圓弧部分直徑144 mm,同相水管間距96 mm,異相水管間距192 mm,冷卻結構簡單,制造成本較低。冷卻裝置如圖11所示。

圖11 水冷管示意圖

該散熱裝置能在不影響電機運行的情況下提高了電機的空間利用率。在電機運行過程中,繞組產生的熱能經過熱傳導進入動子鐵心,然后通過水冷裝置將熱量釋放出去,以確保電機工作的連續穩定。

5.2 水冷后電機的溫度場分析

在加入水冷設備之后,電機的各種對流傳熱系數和各種邊界條件都沒有改變,水的流速為0.2 m/s,入水口溫度是25 ℃,然后利用Fluent軟件對TMFFSEEMSLM進行熱流耦合計算,如圖12所示。

圖12 水冷空載有限元仿真結果

由圖12可知,在電機內部加裝水冷管后,溫度降低,相對于自然冷卻而言有所差別。加入水冷管后,由勵磁線圈銅損耗引起的發熱通過水冷卻系統被排出,使換熱速度加快,起到冷卻作用。表5為自然散熱與強迫水冷卻的最高工作溫度。

表5 電機最高溫度對比 ℃

電機在長期負荷下運轉時,其工作溫度比空載時高很多,需要有較強的散熱性能。圖13為負載條件下電機散熱分布圖。

圖13 水冷負載有限元仿真結果

與自然對流傳熱相比,電機冷卻設備具有更顯著的降溫作用,并且電機的繞組、動子鐵心均處于其穩定工作的溫升范圍內,這就證明了水冷系統是有效的。

6 結 語

論文研究了一種新型的橫向磁場電勵磁磁通切換磁懸浮直線電機溫度場的分布,并設計了相應的冷卻裝置。

(1) 分析橫向磁場電勵磁磁通切換磁懸浮直線電機的結構與磁通切換原理,以及電磁推力、懸浮力及導向力產生原理。

(2) 建立電機的三維溫度場與對流傳熱模型,計算各種材質的導熱系數,并模擬分析空載和負載下電機的損耗,從而得到各部分熱生成率。

(3) 利用有限元法,分別建立自然對流狀態和安裝水冷管后電機的三維溫度場仿真模型,對電機各部分的溫度分布情況進行計算與分析。

(4) 設計冷卻系統,結果顯示電機負載運行時冷卻系統可以將繞組最高溫度從189.52 ℃降到56.4 ℃。驗證了水冷卻對TMFFSEEMSLM的有效性。