基于流固耦合的磁悬浮透平膨胀发电机冷却与温升特性仿真研究

Voe.54. No. 3Maa.2021
第54卷第3期2021年 3月
微电机
MCCROMOTORS
基于流固耦合的磁悬浮透平膨胀发电机冷却与
研究
郑亚微，周瑾，高天宇，金超武，徐园平
(南京航空航天大学，南京210016)
摘要：与常规电机使用风冷或水冷不同，有机朗肯循环磁悬浮透平膨胀发电机可采用有机工质直接进行冷却％有
机工质冷媒和散热结构对发电机温升 的研究是十分 的％ 磁 透平膨胀发电机为例，从雷诺
数、散热系数等方 有机工质R245fa 、空气和 三种冷却媒介散热 的差异％建立 机壳-定子-绕
组的热 模型，分析不同散热结构下发电机的温升以选取最佳散热方式。

再基于流固耦合建立磁 透平膨胀发 电机的有限元模型，进行冷媒及电机散热结构的优化设计分析％关键词：透平膨胀发电机；冷却媒介#散热结构；流固 合
中图分类号：TM301.4 文献标志码：A 文章编号：1001-6848(2021)03-0031-05
Simulation Research on Cooling and Temperatirr Rise Characteristics of Maglev Tur C o Expansion Generator Based on Fluid-solid Coupling
ZHENG Ydwei , ZHOU Jin , GAO TVnyu , JIN Chrwu , XU Yuanping (Nanjing University o Aeronauticr and Astronauticr , Nanjing 210016 , China )
Abstract : Different from the conventional motor using air cooling or water cooling , orfanic Rankine cycle mageevtu6boecpande6can becooeed doecteybyo6ganocwo6kongmedoum.Ctosnece s aytostudytheonteu- enceoto6ganoc etoge6antand cooeongstuctu6eon thetempeatu6e6osechaacte6ostocsotgeneato6.Takonga
mageevtu6boecpande6asan ecampee , thedo t eencesotheatdo s opatoon petomanceotoganoc etogeant R245ta , aoand pu ewate6we6ecompaed tom theaspectsotReynoedsnumbe6and heatdo s opatoon coe t o-
coent.Fost , thethemaesomueatoon modeeconsode6ongtheshe e -stato6-wondongwasestabeoshed , and thetem- peatu e oseotthegeneato6unde6do t eentheatdo s opatoon stuctu eswasanaeyaed toseeectthebestheat do s opatoon method.Based on theteuod-soeod coupeong , thetonoteeeementmodeeotthemageevtu6boecpande6 wasestabeoshed , and theoptomaedesogn and ana eys os o tthe coo eong med oum and moto6heatdo s opatoon stuc-
tu6eweeca oed out.
Key wordt: tu6boneecpansoon geneato6# cooeongmedoum # heatdo s opatoon stuctu e # teuod-soeod coupeong
o 引言
磁悬浮透平膨胀发电机与 透平膨胀发电机
相 有结 、功率因数高、
效率 优
点，由于采用磁
轴 替
滚动轴承支承,
省去轴承润滑系统，无机械磨损，在余热回收有机
朗肯循环(ORC )系 的研究中引起广泛
％磁悬
透平膨胀发电机作为低温热源发电核心设备，工作在有机工质环境内，发电机高速旋转产生高交变
磁场，导致发电机磁 谐波含 大，会在定转 子上 的电磁损耗，使发电机 温升'T%过高的温升会使永磁体
逆退磁以及电机绕
组损坏，因合 计磁悬浮透平膨胀发电机的散 热结构和选取合适冷媒，使温升控制在安全范围内 对ORC 系 有 意义％
年，
外很多学者对电机的冷却方式和
收稿日期：2020 04 28, 日期：2020 07 07
基金项目：江苏高校'青蓝工程'资助；中央高校基本科研业务费专项资金资助(NZ2018460 )；江苏省重点研发计划
(BE2016180)%
作者简介： (1995),女，硕士，研究方向为永磁电机设计％
周 瑾(1972),女，博士，教授，研究方向为磁悬浮技术、转子动力学、机电系统控制％
-32-微电机54卷温升进行了研究。

目前电机温升的计算方法'5-（
主要有计算流体力学法（CFD）、有限元法（FEM）、集总参数热网络法！LPTN）%电机采用机壳冷或气冷的方式进行降温。

文献'7］采用LPTN法对在强迫通风条件下的电机温进行研究，是了电机温升轴向分布的变化。

文献［8］利用有限元软件分析了永磁同步电机自然散热和水冷散热的温升差异，结表明机壳水冷散热的有效性,是没有电机内部转子的散热情况。

文献［9］对永磁牵引电机转子发热的，建立了混合通风冷却系统，利用流固耦合的方法:了冷却系统的％文献'10］I气作为冷却介,有限元软件对I冷电机的温进行了分析，并研究了不同温度的I气对电机温升的，是了电机内部散热流道对电机温升的影%文献［11］对ORC系统进行热力学建模，分析不同有机工质和系统集成对系统效率的，但是没有透平发电机的温升对ORC系统效率的％本文磁透平膨胀发电机为研究对象,选取适用于ORC发电系统的冷却方案，引有机工为冷却媒介，并从雷诺数、散热系数两方对不同冷媒的散热进行分析％再基于流固耦合的计算方法，进行冷媒及电机散热结构的优化设计分析，了将文计的冷却方法应用于ORC 发电系统的可行性％
1磁悬浮透平膨胀发电机冷却系统工作机
ORC磁悬浮透平膨胀发电系统由前端有机工质部分及后端磁悬浮透平膨胀发电机等组成，如图1所示％磁透平膨胀发电机运行之前，打开气冷和液冷支路，使发电机处于冷却状态，然磁轴承控制平发电机转子，待转子
，在有机工质的作用下，叶轮带动转子旋转使机械能转化为电能，图2为磁透平膨胀发电机内部结构组成％
磁悬浮透平膨胀发电机作为ORC系统的核心设备，引入有机工为冷却媒介％由工质泵泵出的液态有机工调压阀调压至0.2MPa，再引入发电机机壳道，对发电机机壳进行冷却
储液罐％同将气化后的有机工质引入发电机内部,发电机转轴尾部的轴流风扇辅助发电机内部工：出，的工质进热器再次进行使用％这种方法分利用了系部的工，了冷却发电机的附加消耗，同化了密封结构％
Wlhn换向阀
蒸发器
备用制动
支路
-----气态工质流向
■*-----液态工质流向
磁悬浮透平
膨胀发电机
'7**—
发电机气冷支路冷凝器
回热器
发电机液冷支路
储液罐
工质泵
图1ORC磁悬浮透平膨胀发电系统
轴向磁悬浮轴承径向磁县浮轴承定子铁心
图2磁悬浮透平膨胀发电机结构示意图
基于ORC系，计磁透平膨胀发电机（见表1）%加工中的样机实物如图3所示％
表1样机设计参数
数数
极对数1
额定功率/kW75
额定转速/（/m in）36000
子数24
冷却方式气冷+液冷
图3发电机定子及机壳流道加工实物
2冷却系统散热分析
2.1不同冷媒散热性能分析
与常规电机使用风冷或水冷不同，磁悬浮透平膨胀发电机工作在有机工质环境中，所本文采用有机工质作为冷媒％由于有机工质与常规冷媒的物属有差异性，所从雷诺数、散热系数两方面对R245fa有机工质、空气和
的散热
3期郑亚微等：基于流固耦合的磁悬浮透平膨胀发电机冷却与温升特性仿真研究-33-表2R245fo、空气及水的物理属性
进行分析，三种冷媒的物理属性如表2所示。

介质压力/MPa温度/n
密
(kg•m3)
力粘
(Po•s)
R245fo0.250 1.06E+01 1.07E-5气0.250 2.1561 1.97E-5
R245fo0.2251338.5446 4.01E-04纯水0.225997.0034997.0034由于发电机定子磁觇内外皆有齿槽，所以定子具有上处风道，如图4所示。

以上齿槽风道为对发电机不同气体冷媒进行分析。

对于本文采用的发电机内部风道和机壳风道组合的轴径向混合的强迫通风冷却系统，可采用Gnielinski公式计算道中紊体的努塞尔特系数，Gnielinski公式如下所示：
(f/L)(Rc-1000)Pa
1+12.7槡7L(Pa C-1)
[1+(d#)2](( /=1.28(lgRc-1.64厂2
(十)°-01(液体)
W
（1）式中，0为管长；/为管 的Dacy阻力系数；（为温 系数，角标/）w分别表示流管中心和壁面温体的普朗特数；Co为螺旋管系数；；为螺旋半径％
图4发电机气冷通道示意图
在上齿槽风道内，Gnielinski公式计算得到0.2Mpa）50n下气态R245fa和同温同压下空气的雷诺数、散热系数的两者对线（如图5）%由于同温同压下R245fa有机工质的动力粘为空气的0.64倍，密度约是空气的4.92倍，所相同时，R245fa的散热系数于同状态下的空气，散热效果前者优于后者。

——R245fa
■…空气
图5R245fo与空气散热性能对比
10mm的圆管为例，使用液态有机工质代替纯水作为发电机机壳液冷的冷媒，计算得到在0.2MPa、25n下液态R245fa和纯水的雷诺数、散热系数的两者对线（如图6）。

在相同条件下R245fa的散热系数小于。

但是低温余热ORC系统的有机工收再利用和发电机效率等多方面因素，采用液态R245fa作为冷媒优势%
图6R245fo与纯水散热性能对比
不同散热结构对散热性能影响分析
2.2
发电机不同的散热结构，会对冷媒的
影响，进发电机的温升。

合计散热结构是发电机散热的，本文对图7所示的三种
-34 -微电机
54卷
散热结构进行对比分析%
图7三种散热方案物理模型
在强迫对流下，转子温 气隙对定子产生
的 小，所 机壳-定子-绕组的散热
情况％
方案一为仅存在定子上
风道，不
机壳液冷；方 为定子内部有上 风道,机壳流道
液态有机工质；方三为定子内部仅
齿槽风道，上风道由导热
，同机壳
道 液态有机工 %
在ORC 系 ，透平膨胀机出口有机工质压力
为0.2 MPa ，温度50C ，总质量流量2. 56 kg/s %初
方案一、 上下风道R245fa 流速均为10 m/s ，
致原则，方案三 风道流速为
17.8 mss %
将整流负 的发电机损耗转换为体积生热率
加
对应几何体内(见表3 )， 将 风道计算得
的热对流系数加 对应表面％发电机稳态温升
计算结果如图8所示％
由于液冷强迫对流散热
系数远大于机壳自然对流散热系数，所以明 低
发电机温 20C %方案三与方
相比，两者最
高温 致，但是方
上风道气态冷媒温
于机壳内液态冷媒温度，机壳液冷发电机的同时也 在冷却上风道内气态冷媒，增加了液冷散热负担,
所以选择方案三作为发电机的散热结构％
«9772M823997452S 076A 6&O 13579
.O
& & 88
7'7777
图8三种散热方案温度场仿真结果
3基于流固耦合的整机温升仿真分析
在传热学理论中，传热型主要存在三种基本
形式。

本文仅考虑热传导、热对流％
热 导传
递的热 为
= --SVT
(2)
式中，-为材料热导率；S 为热传递面积；VT 为温
%
热对
的对流热 系数！与无量纲的流体
努塞尔特系数Nu 密切相关%
式中，de 为 ；-为冷媒热导率％
发电机温升的热源为发电机运行 的损耗%
本文使用Ansys Maxwel l 软件对样机进行损耗分析,
发电机电磁 模型如图9所示，损耗分析结 ，
表3 %
图9发电机三相整流负载电路图
表3样机各部件损耗
热率位置损耗/W 热率/( W/m 3)
组
252
2.307e6定子铁心8114e5转子永磁体342
4.5e5
转子套
450 1.1e6
为了更准确地研究流道对发电机温度场和流场
的影响，基于Ansys Fluent 平台,设置入口流速 1 m/s ，
压力0. 2 MPa ， 温度30C 进行仿
真％ 得 液冷流道壁面散热系数分布如图10所
示％使用计算流体力学方法得到的壁面散热系数与
3期郑亚微等：基于流固耦合的磁悬浮透平膨胀发电机冷却与温升特性仿真研究
・35・
Gnifinii 公式计算得到的散热系数结果基本吻合。

2.745e*0032.440e*0032.1359+0031.830e*0031.525e+0031.220e ・0039.151e*0026.100e+002
3.050e*002Wall Heat T ransfer C oefficient Contour 1.3.050e*003■ 0.000e*000
(W m*-2 K*-1]图10液冷流道壁面散热系数云图
选择R245fa 有机工质代替空气/水作为冷却媒 介，透平膨胀发电机内部气冷的同时，机壳 液 态R245fa 进行冷却，如图11所示。

为了减少网格计算量，选取发电机[模型进行
分析。

在Fluent 里赋予机壳流道壁面散热系数，定 子下风道进行流固耦合分析，并将损耗以体生热率
的方式加 对应几何体内，发电机定子风道流线
如图12所示，温 结果如图13所示。

从图
13
发电机的主要发热集中在转子上，永
磁体最大温度为81. 30n ，绕组部件最高温度在下层
绕组处，为70. 68n %由于上层绕组采用导热 好 的导热
气态冷媒温 ，因此即使在下
齿槽风道
大的情况下，下层组温度也会高
于上层绕组％
上述分析可知，在额定工况下，该磁悬浮
透平膨胀发电机各部件温升均 计 ％
50贮气态R245fa 3()贮 气态R245fa
图11冷媒流向示意图
图12定子风道冷媒流线图
5 8656*001
5 264e*0014 963e*001Temperature
Contour 18130e*0017 689e*0017247e*0016 805e*0016 364e*0015922e*0015 480e*0015 039e«0014 597eX»14.155e*0013.714e*001 [C]
Temperature Contour 3 ■ 7 068e*0016.767e*0016 467e*0016166e*0014662e*0014 362e»001■ 4 062*001 (C]
图13整机、定子部件温度分
图
4结论
本文基于流场-温
合模型，分析一台磁
悬浮透平膨胀发电机的冷却与温升。

使用有机
工质进行冷却的有机朗肯循环磁 透平膨胀发电
机的散热效果与
电机不同，所以基于GnieSns-
ki 公式对比了有机工质R245fa 和空气、纯水的散
热 异，证明了引入R245fa 作为发电机冷媒
的优 ％ 静态热分析法分析了发电机内部
三种散热结构的差异，建立一套由定子下齿槽风道
和机壳风道组合的轴径向混合通风冷却系统％最后
基于流固耦合进行冷媒及电机散热结构的优化设计 分析，由 结
方法可有效降低发电机转
子、 组温升， 了磁 透平膨胀发电机的工
%
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(下转第50页
)
54卷
-50 -由图8、图9
,
型控制结，发负载扰动时，双电机的同 调节时间为0.1s ,在改
进型控制结构中，双电机的同
调整时间为
0.025 s ,
进型控制结构的同 调整时间优
于传统型控制结构％在t=0.2 s 发生负 ，传
统型控制结构的双电机同步误差峰值为38 r/min ,改 进型控制结构的双电机同
峰值为3.6 r/min , 丁进型控制结构的同
优于传统型控制结构％
4
(1 )进型双电机偏差耦合结构引入了新型的
补偿器， 了电机系统的 力，解
了 型偏 合结构在发生负
的情况下
同
的问题。

将进型双电机偏 合控制
结构应用在
链补弹系
， 有效：柔
链在补弹过程中因双电机同
的弹链卡滞问题。

(2)进型双电机偏差耦合控制结构和
型偏合控制结构进行对比，电机从
态的
时间减少50%,电机1
和
提高
40%,电机2
和
提高75%,同步
误差调节时间减少75%,同
峰值减小90%。

微电机
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性誤誤誤訟於。