高溫超導電機的風路設計

孫丹丹

(上海電氣集團上海電機廠有限公司，上海 200240)

0 引言

隨著時代的發(fā)展，客戶對電機的性能、體積、節(jié)能指標都提出了更高的要求。為了適應市場需求，電機高性能、高功率密度、高效率的“三高”發(fā)展趨勢成為必然。目前國外針對“三高”有兩個主流方向，一個是高速永磁電機，另一個就是高溫超導電機。超導線在臨界溫度、臨界磁場強度及臨界電流密度以內(nèi)時具有超導電性，其電阻為零，使繞組的電阻損耗降為零，既解決了轉(zhuǎn)子繞組發(fā)熱、溫升問題，又使電機效率大為提高。應用高溫超導技術的電機相比于傳統(tǒng)的銅材電機，具有效率高、質(zhì)量輕、尺寸小和單機極限功率大等許多突出的優(yōu)點，因此未來產(chǎn)業(yè)化前景非常廣闊。本文重點研究由我公司設計制造的一臺采用國產(chǎn)第二代高溫超導帶材YBCO的高溫超導發(fā)電機的風路設計。

1 電機參數(shù)

額定功率 500 kW 相數(shù) 3

額定電壓 690 V 安裝型式 IMB3

額定轉(zhuǎn)速 1 500 r/min 冷卻方式 IC06

絕緣等級 F級 極數(shù) 4

防護等級 IP44 頻率 50 Hz

2 電機結(jié)構設計

電機定子鐵心采用徑向通風槽通風，沿軸向長度上，每隔50 mm疊片之間有寬10 mm的通風槽板，增加定子鐵心的散熱面積，以改善定子鐵心散熱?？紤]到發(fā)熱和溫升問題，定子使用開口槽，沿定子鐵心內(nèi)圓表面的槽內(nèi)放置三相定子繞組，槽口用槽楔封住。絕緣采用F級絕緣及F級溫升考核。

超導電機轉(zhuǎn)子采用液氮浸泡式蒸發(fā)冷卻方式，轉(zhuǎn)子線圈和鐵心等浸泡在冷卻介質(zhì)當中，整體開放式循環(huán)。

3 電機風路設計

如圖1所示，一種高溫超導電機的風路結(jié)構，其包括電機的機座101，機座101上設有鼓風機104。鼓風機104有兩個出風端106，鼓風機104還有進風端110，將風從進風端向出風端驅(qū)動的扇葉(圖上未示出)以及驅(qū)動扇葉的電機111。電機111為兩個，兩電機111分別設于鼓風機104的兩端。扇葉位于鼓風機的內(nèi)腔，并位于出風端的上方。

機殼101的頂部設有兩個進風口107，每個進風口107各分別與一個出風端106連通；機殼101的兩側(cè)均設有排風口(圖上未示出)。電機可以將用于冷區(qū)的空氣從進風端進入并通過出風端后再進入機殼的進風口，并進入電機內(nèi)部。在電機的持續(xù)作用下，電機內(nèi)部的熱風從排風口排出。

電機內(nèi)具有轉(zhuǎn)子105；還具有定子鐵心102和嵌于定子鐵心槽內(nèi)的定子線圈103，定子鐵心102內(nèi)設有徑向通風槽(圖上未示出)。定子鐵心102由多張定子沖片疊壓成若干段鐵心塊108組成，鐵心塊108由多張硅鋼片疊壓而成，通常為由厚度0.5 mm的圓形冷軋硅鋼片疊成；鐵心塊的寬度通常為50 mm，即其通常由100張左右的硅鋼片疊成。定子鐵心102的兩端設有壓圈112，定子鐵心兩端用壓圈將其壓緊。相鄰的鐵心塊108之間設有通風道109。徑向通風道可以增加定子鐵心的散熱面積，改善鐵心散熱。定子線圈103在定子鐵心102的兩端的端部均位于進風口107的下方。轉(zhuǎn)子105和定子鐵心102之間設有供冷卻氣體流動的間隙。由于該間隙較小，故圖1中未標注出。

圖1 一種高溫超導電機的風路結(jié)構示意圖

圖1中實心箭頭方向為氣體流動的方向。用于冷卻的空氣在鼓風機配套電機的驅(qū)動下，從機殼的進風口進入電機內(nèi)部，由于定子線圈的兩個外露端均處于進風口的下方，冷卻氣體可以均勻地經(jīng)過定子線圈的兩端部并帶走熱量，然后氣體經(jīng)過定子和轉(zhuǎn)子之間的間隙，并逐步分流進入定子鐵心的徑向通風道，最后通過機座中間兩側(cè)的排風口排出。

采用常規(guī)風路結(jié)構會使定子線圈的兩端由于溫差過大而導致冷卻效果不佳，進而影響電機整體運行的可靠性。采用此風路結(jié)構可以使定子線圈兩端的溫度同時降低，大大提高了高溫超導電機繞組的冷卻效果，有效地降低了電機溫升。其結(jié)構緊湊，裝配方便，降低了制造成本。

4 電機溫度場計算

4.1 計算分析技術要求

使用SolidWorks建立了電機的實體模型，通過其他軟件將其內(nèi)部流體區(qū)域提取出來，進行CFD計算，并對固體區(qū)域進行耦合傳熱計算。

對電機的進出口進行一定的延伸，以減少計算式產(chǎn)生的誤差，圖2為電機中心截面網(wǎng)格示意圖。

圖2 電機中心截面網(wǎng)格示意圖

基于連續(xù)方程、Navier-Stokes方程、K-Epsilon湍流方程通過有限體積法的離散方法，使用SIMPLE算法、二階迎風差分方法，解三維穩(wěn)態(tài)定常密度不可壓縮空氣(ρ=constant)模型，使用了分離求解器，采用了Realizable K-Epsilon湍流模型和壁面函數(shù)法對模型進行計算。

根據(jù)該電機以及冷卻器的資料，我們給定了以下邊界條件。

入口：質(zhì)量流量為0.733 2 kg/s(空氣溫度40 ℃)；

出口：壓力出口為P=0 Pa；

參考壓力：101 325.0 Pa。

4.2 計算結(jié)果

通過計算得到了電機在該流量下各個徑向通風道的流量，其值大小如表1所示，將所得結(jié)果繪制成曲線如圖3中所示。其中可以看到：在齒壓板處的流量最大，為0.474 kg/s，其余各處均比端部小的多。在除齒壓板處的通風道外，流量最大的為第5個通風道，即中間一處通風道的流量最大，是第2通風道流量值的5倍。

表1 徑向通風道流量值 單位：kg/s

圖3 徑向通風道流量值

由于徑向通風道中空氣流量的不均，從而造成該電機定子溫升分布的不均，如圖4所示。

圖4 定子鐵心溫度分布云圖

從圖4中可以看出，鐵心中部溫度較高，約為58 ℃，而兩邊溫度較低，約為49 ℃，這也正好說明了電機內(nèi)風路流場計算的結(jié)果。

從圖5可以看出電機整體溫度分布情況，由于轉(zhuǎn)子表面損耗只能通過氣隙帶走， 因而造成轉(zhuǎn)子表面溫度較高。

圖5 電機整體溫度分布云圖

定子線圈的溫度分布情況如圖6所示。

圖6 定子線圈溫度分布云圖

根據(jù)圖6可以知道，定子線圈的散熱情況也非常高，最高溫度出現(xiàn)在線圈的中部，約為58 ℃。

4.3 結(jié)論

根據(jù)計算結(jié)果，該電機定子鐵心和定子線圈的溫升都相對較低，該電機風路參數(shù)選取的非常合理。

5 試驗結(jié)果

此高溫超導電機已經(jīng)完成了各項試驗，試驗結(jié)果顯示電機的溫升遠小于國家標準。

6 總結(jié)

通過仿真和試驗驗證，結(jié)果顯示電機的冷卻風路設計完全滿足電機散熱的需要，結(jié)構設計是成功的。該臺高溫超導電機的研制成功，使我公司在特殊產(chǎn)品制造上實現(xiàn)重大突破，標志著我公司在電機制造上又填補了一項國內(nèi)空白，并為我公司后期開發(fā)研制更大容量的高溫超導電機積累了寶貴的經(jīng)驗、奠定了扎實的基礎。