封閉自散熱式永磁發(fā)電機溫升計算

劉亞龍，張亞鴿，張變變，成玲燕

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封閉自散熱式永磁發(fā)電機溫升計算

劉亞龍，張亞鴿，張變變，成玲燕

（中船重工電機科技股份有限公司，山西太原 030027）

永磁發(fā)電機常作為副勵磁機而存在，而現(xiàn)有勵磁發(fā)電機的溫升計算并不完全適用于永磁發(fā)電機，本文基于對電機的散熱分析和適當(dāng)?shù)暮喕Ｐ停\用傳熱學(xué)基本理論，對封閉自散熱式永磁發(fā)電機進行了溫升計算，并與電阻法實測值進行了對比。結(jié)果表明計算值高于實測值，差值不大于3K，且遠(yuǎn)低于發(fā)電機的最高允許工作溫度，計算結(jié)果合理可靠，故本文提出的計算模型較為準(zhǔn)確，可用于封閉自散熱式永磁發(fā)電機溫升的簡易計算。

永磁發(fā)電機 散熱分析 溫升計算

0 引言

該封閉自散熱式永磁發(fā)電機被用來為主發(fā)電機勵磁系統(tǒng)提供功率電源，安裝在主發(fā)電機非驅(qū)動端，與主發(fā)電機轉(zhuǎn)子同軸旋轉(zhuǎn)。

該永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子為永磁體，永磁材料選用性價比較高的釹鐵硼永磁材料。

該永磁發(fā)電機為封閉自散熱式發(fā)電機，防護等級可達到IP54及以上防護等級，以保證可靠防護。為保證發(fā)電機良好散熱，確保運行可靠，本文特針對該類發(fā)電機進行溫升計算及散熱分析。

1 溫升計算

1.1 建立模型

本文根據(jù)溫升計算要求及結(jié)構(gòu)設(shè)計[1]對封閉自散熱式永磁發(fā)電機的機座進行了簡化處理，并建立了圖1所示的溫升計算模型。

經(jīng)過分析，發(fā)電機產(chǎn)生的熱量自發(fā)熱源散熱至機座外部環(huán)境的全過程中，可以忽略機座壁面自身的導(dǎo)熱熱阻，故熱阻主要集中在兩個部位：一是機座外壁與外部環(huán)境間的自然對流換熱熱阻1，記對應(yīng)溫度降為1；二是機座內(nèi)壁面與發(fā)電機內(nèi)部封閉空氣間的對流換熱熱阻2，記對應(yīng)溫度降為2，具體詳見圖1。

圖1 溫升計算模型

本文涉及的模型中，永磁發(fā)電機允許的最高工作溫度為150 ℃，額定工況下發(fā)熱量Q為75 W。

1.2 計算溫度降Δt1

為有效改善發(fā)電機散熱效果，在機座內(nèi)外圓壁面上散布著散熱肋片，因此該部分對流換熱主要包括肋片與環(huán)境間的對流換熱及機座外圓壁面與環(huán)境間的對流換熱，即

式中：Q1—肋片實際總換熱量；Q1—外圓壁面換熱量。

經(jīng)查相關(guān)資料：機座材料導(dǎo)熱系數(shù)=50 W/(m?°C)[2]，發(fā)熱表面在平靜空氣中的散熱系數(shù)0=14.2 W/(m2?°C)。

1.2.1肋片實際總換熱量Q1

機座外表面布置矩形散熱肋片，肋高=25 mm，肋厚=4 mm，肋長1=215 mm，肋片數(shù)量1=26。

此次天然氣外輸管線的清管過程分兩輪進行，第1輪使用泡沫球清管器，從集氣首站發(fā)出后，在距首站約3.6 km處發(fā)生卡堵(見圖1)，采用斷管的方式進行解卡。斷管后發(fā)現(xiàn)管段內(nèi)積聚大量黑粉，并結(jié)成硬塊(見圖2(a)、圖3(a)和圖3(b))，造成通球卡堵，圖2(b)為清管器前端堆積的黑粉。

假設(shè)肋片為一維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱，且輻射影響已折算在0中，則

式中：L—計算肋高；n—肋片效率；0—單肋片理想換熱量。根據(jù)相關(guān)換熱計算公式及假設(shè)條件，有：

其中：A為肋片縱截面積；

將、、、0等各參數(shù)值代入，計算得到：

通過查專業(yè)文獻資料“矩形直肋效率”表，得n=0.92。

1.2.2外圓壁面換熱量Q1

根據(jù)對流換熱相關(guān)計算公式[2]，有

其中：

綜合上述分析，將各參數(shù)值分別代入（1）至（8）式，并令Q1=Q=75 W，計算得到：

1.3 計算溫度降Δt2

機座內(nèi)表面布置矩形散熱肋，肋高=10 mm，肋厚=20 mm。

參照上述計算方法，將相關(guān)參數(shù)值帶入相關(guān)公式，得到：

通過查專業(yè)文獻資料“矩形直肋效率”表，得n=0。故可以忽略機座內(nèi)壁散熱筋。則

式中：2=235 mm，指機座內(nèi)壁長度。

將各參數(shù)值代入（1）至（8）式，并令Q2=Q=75 W，計算得到：

1.4 計算結(jié)果及分析

將前述各溫升合計并計算管芯總溫升有：

1.5 溫升計算值與實測值對比

利用上述模型對3型生產(chǎn)應(yīng)用中的永磁發(fā)電機進行了溫升計算，并對計算值與電阻法實測值進行了對比分析，詳見表1。

表1 溫升計算值與實測值對比

通過表1的對比，可以得到：利用該模型計算得到的數(shù)值偏高于電阻法實測值，且誤差控制在3 K以內(nèi)，可見本文利用該模型得到的計算值準(zhǔn)確。故本文建立的模型與采用的計算方法合理，完全可以用于封閉自散熱式永磁發(fā)電機溫升的簡易計算。

2 結(jié)論

本文基于對電機的散熱分析和模型簡化，運用傳熱基本理論，對封閉自散熱式永磁發(fā)電機進行了溫升計算，并將計算值與電阻法實測值進行了對比，得到如下結(jié)論：利用本文模型計算得到的溫升值合理可靠，因此該模型可用于封閉自散熱式永磁發(fā)電機溫升的簡易計算。

[1] E·維德曼, W 克倫貝格爾. 電機結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 1976．

[2] 俞左平. 傳熱學(xué)[M]. 北京: 高等教育出版社, 1979: 105-120.

Temperature Rise Calculation of Closed Self-Dissipation Permanent-Magnet Generator

Liu Yalong, Zhang Yage, Zhang Bianbian, Cheng Lingyan

（CSIC Electrical Machinery Science and Technology CO., Ltd, Taiyuan030027, Shanxi, China）

TM313

A

1003-4862（2019）05-0034-02

2019-01-07

張亞鴿(1982-)，女，工程師。研究方向：電機設(shè)計。E-mail: a03587363067@163.com