文摘
为了准确地研究潜水电机的温度场分布,提出数值传感和三维流场和温度场的模拟分析潜水电机。内部潜水海洋气隙水冷永磁电机,基于计算流体动力学(CFD)的原理,数值模拟分析和几何结构改善电动机的三维流场和温度场进行了,消除了回流现象在电动机的内部流场,提高整机的散热效率,优化流场和电动机的温升。实验结果表明,电机几何优化后,冷却水的流量在气隙通道是36.7升/分钟,这是7.9升/分钟高于原始模型,这意味着发动机的热量可以更好地冲走了气隙中的水流通道。这是证明了这一研究获得的结果有一定的参考意义的潜水电机几何结构设计。
1。介绍
由于自然灾害的频繁发生和煤矿事故近年来,越来越多的注意力都集中在高效、安全、稳定运行的潜水泵主要排水(1]。核心组件的潜水泵,潜水电机是最关注组件。因为高压湿式潜水电机更能适应恶劣的工作环境比高压干式潜水电机,这使得高压湿式潜水电机的首选防汛排水在国家的未来,因此,它是特别重要的,研究高压湿式潜水电机(2]。
潜水电机很重要设备城市污水排放、污水处理、道路和桥梁工程排水和灌溉和排涝在水利工程3]。随着国家环保法规的提高和增强人们的环境保护意识,潜水泵污水处理已经收到了越来越多的需求和应用程序(4]。潜水电机是与各种类型的潜水电机和电机集成;它在各种水质的污水运行很长一段时间,和工作环境恶劣。因此,性能优良的潜水电机的发展,安全性和可靠性具有广阔的市场前景。
由于潜水电机是淹没在水中和运营,工作条件复杂;因此,结构设计要严格密封,以防止水进入,同时,做好监测和了解电机的操作,这是主要区别潜水电机和三相异步电动机(5]。潜水电机当前的主要问题是,内部压力和湿度的在线测量技术在电动机操作还没有得到很好的解决,影响电动机的安全运行在某种程度上,这些问题仍需进一步研究和解决6]。潜水电机是矿井排水系统的关键设备和救灾排水系统;发展已经成功地扩大我的潜水电机的应用范围和丰富的类型大功率潜水电泵提供设备支持建设矿井的抗灾排水系统(7]。大量的工程实践证明,大功率潜水电机有一个广阔的应用空间,不仅可以获得经济利益,但在工程应用中也产生良好的社会效益。
2。文献综述
潜水电机通常分为充油的潜水电机,水潜水电机,充气潜水电机,屏蔽潜水电机(8]。屏蔽电机和泵在一起形成一个屏蔽电动泵,用于运输易燃,有毒的,宝贵的,腐蚀性和放射性媒体没有固体颗粒,绝对杜绝了,操作和低噪声传输液体时(9]。屏蔽电机体积小的优点,重量轻,安装和使用方便,可靠性高,和高的性能,广泛应用于水提取从地下或湖泊,工矿企业排水、城市和农村建筑排水、住宅水和污水处理(10]。随着高效和小型汽车的发展,汽车的加热问题已成为经济增长的主要障碍之一的单机容量和需要解决的关键技术问题在汽车设计(11]。潜水电机功率密度高,散热问题更加突出。如果电动机内的温度过高,会影响绝缘材料的寿命,在严重的情况下,它也可能导致不可逆永磁退磁,这是直接关系到电机的使用寿命和运行的可靠性;因此,电动机的温升是电机性能的关键指标之一的评估;具有重要意义,研究电机冷却方法和优化设计的电动机的温升为安全评估(12]。
近年来,有很多研究不同冷却的运动流场和温度上升类型。霍夫曼一个油冷马达的油雾冷却方案设计和分析了电机的温度分布13]。Kopyrin,等人的流场数值模拟的外部空气路径运动的影响和研究定子轴向通风的洞在绕组的温升14]。基于电动汽车永磁电机,陈等人进行了比较分析流场和温度场的螺旋和z字形水通道结构下的电机(15]。有别于传统自然散热和套管水冷电机、潜水电机直接使用水来冷却的电机,所以气温上升不太重要的问题比封闭的汽车,和相关温度上升的研究越来越少16]。
作者的研究对象是某海洋潜水永磁电机,这是一种新型的电机气隙水冷却;冷却水进入电机通过轴承与转轴之间的差距(17]。由于热力循环方法不能反映吸收的水量的影响电机的散热电机,为了获得优良的流场和温度场的结果每个电机的一部分,作者用CFD程序的模拟电机的三维流场和温度场;通过理论分析和几何结构的改进,逆流现象在电机内部的流场消除,整个机器的散热效率提高,流场和温度上升的电机进行了优化18]。
3所示。方法
3.1。物理模型
海洋潜水电机的安装图(以下简称“电动机”)如图1;由螺旋桨驱动,水流通过空心轴电机,和水的一部分将进入电机通过轴承间隙冷却电机(19]。水流由空心轴驱动的螺旋桨是200 L / min,电动机的基本性能参数如表所示1电机轴承的材料是复合材料,并且其温度限制在60°C。
由于电动机的循环对称几何,为了最大化的节省计算资源和缩短计算周期,作者需要的最小周期单位1/36模型模拟计算(20.]。仿真计算网格采用的组合六面体的结构化网格和非结构化四面体网格划分整个计算域;网格的总数是11264193,网格的最大偏态是0.756,网格质量满足工程计算的要求。
3.2。数学模型
流利的CFD软件基于有限体积方法,其基本原理是描述一系列的流动和传热的偏微分方程;代数方程的问题上定义一个有限数目的离散点的控制体积改变了离散方法;最后,偏微分方程的近似解可以通过求解代数方程的数值。作者的研究对象是一个流体共轭传热问题;等所有固体区域的外壳和结束帽、流利的使用三维热传导模型来解决这个问题,及其能量方程 在哪里 , ,和热导率,温度,和内部热源的固体材料,分别。
等nonheating固体外壳和结束帽、内部热源的价值是0。之间的换热流体和固体墙,可以表示为哪一个 在哪里之间的对流传热系数是液体和固体。
冷却水的计算模型可以被看作是一个不可压缩流体,和紊流流动状态;因此,作者用一个三维不可压缩湍流模型来解决这个问题。不可压缩流体的密度被认为是一个常数,然后流体连接方程、动量方程、能量方程,以及湍流动能方程和耗散率可以表示为
在 在哪里流体速度矢量;分裂后的压力流体密度;是单位矩阵;流体的运动粘度系数;是流体的温度;是流体的层流普朗特数;是液体的紊流普朗特数;是液体的比热21]。
3.3。加载和边界条件
每个组件的材料的热物理性质的运动如表所示2热源发热组件,需要加载计算。的热源加载温度场计算损失值计算的结果是基于电磁方案;表3显示每个加热组件的负载损失的马达。
作者的模拟计算的边界条件设置如表所示4。周期性表面的1/36的汽车模型,建立流畅的程序设置周期性边界条件。电机安装在船体的封闭室,和散热条件很差;在仿真计算中,作者忽略了自然散热外壳的外表面,如船体的封闭室,只相信电动机的热是由水流在气隙,所以电机的外表面的边界条件设置为绝热。进出水量计算的轴承间隙自动程序,所以作者只需要指定空心轴入口的边界条件在模拟(22]。
4所示。结果与讨论
4.1。电机温度场的分析结果
根据空心轴入口的流量200升/分钟(对应于1/36模型流量约为5.56 L / min),进行仿真计算,获得1/36模型轴承间隙进水口流速为0.8 L / min(转换为28.8 L / min整个机器),和关键部件的温度数据如表所示5。研究结果表明,在额定工作条件下,电动机的最高温度是72.2°C,轴承的最高温度是53.3°C,和温升满足设计要求。然而,轴承的最高温度之间的差异及其温度极限(60°C)只有6.7 K;考虑到模拟误差和特殊工作条件,轴承安全裕度是不够的23]。
结合结果表5可以看出,电机的最高温度位置主要分布在定子绕组;电动机的温度附近的入口一端空心轴(以下简称“前端”)高于出口一端的中空轴(以下简称“屁股”);原因是冷却水的速度矢量图显示,总体趋势后轴承间隙的水流进入和流出前轴承间隙;空气和水的流向差距从屁股到前端。冷却水流动时,热量和温度的升高,吸收和冷却能力降低,因此电机的尾部温度较低和前端部分温度高。
电动机的温度分布是前端温度较低和尾部温度较高,表明冷却水的流动方向的气隙通道从前端到后方。因此,逆流现象在电动机的气隙水通道相关的旋转马达。
4.2。分析和优化气隙通道的回流现象
电机旋转时,有一个线速度在圆周方向上的旋转部分,和驾驶空心轴的水流入气隙水渠道前后两端的轴承间隙,以及气隙水通道提出了“水吸收的现象。“冷却水的总体趋势从后面进入轴承间隙时,电动机旋转,它从前端轴承间隙流出,表明尾部轴承间隙有强大的吸水能力比前端。
为了分析这一现象,作者首先验证边界条件,可能会影响计算结果。修改有关边界条件模拟计算(如改变出口流出压力出口边界条件,改变从顺时针,逆时针方向旋转),结果表明,数值模拟的结果仍然是电动机的前端的温度高,屁股的温度很低,气隙和水流趋势通道仍从屁股到前端,这表明气隙的回流现象水通道是独立的边界条件设置。
通过除去边界条件,计算网格和其他因素可能影响计算结果,可以初步推断,气隙水通道的回流现象是由于模型本身的几何结构。压力腔的后端气隙通道前端高于。计算几何模型的仔细观察表明,气隙的前端腔通道宽,长,后端腔狭窄和短,前端腔的体积大于后端。的情况下前后两端的轴承间隙吸收水分同时,后腔的体积小于前端,因此,前端的压力高于,最终导致冷却水流量从侧面与更高的压力(屁股)与低压侧(前端),导致回流现象(24]。
为了消除在气隙通道回流现象,作者优化计算的几何模型。最初的几何模型的基础上,气隙水通道的前腔充满灌封胶,与此同时,前端旋转的轴的长度加长,进一步降低腔的体积在气隙水通道的前端。在优化结构,前端旋转的轴的长度是细长的,剩下的轴向长度的前端腔 。为了详细讨论腔前端的变化对电机气隙的影响水流动和温度上升,作者建立了五个不同的流体区域与不同的前端腔轴向长度计算模型,讨论了气隙的水流是10年,20年,30、40、50毫米,分别。图2显示了气隙水通道的流量不同长度、气隙水流速增加,然后随轴向长度的增加而减小的前端腔。原因是,当前端腔非常小,轴向长度增加,前端腔的体积增加,这是方便水流在气隙,但与此同时,前端的压力腔也降低;因此,当前端腔的体积的气隙频道在某种程度上,大流量的气隙通道不会增加但减少由于后端腔的压力就越大。从图可以看出2当轴向长度腔的前端气隙的大约30 mm,最大流量可以在气隙水通道。
气隙通道流量越大,更多的热量从发动机中移除。经过上述分析,作者最后优化几何模型 (这个值将转轴的细长的平面绕组的结束,这是很容易把结构化网格)。发动机前端温度很低的结果和尾部温度很高。几何结构优化后,整体的平均压力腔的前端气隙通道比屁股,逆流现象是压制,气隙中的冷却水通道将流从前端到后端。上述结果表明,作者减少腔体积的前端气隙水通道通过优化气隙水通道的几何结构,它可以消除回流现象的冷却水气隙水通道。电机几何优化后,冷却水的流量在气隙通道是36.7升/分钟,这是7.9升/分钟高于原始模型,这意味着发动机的热量可以更好地冲走了气隙的水流通道。表6显示温度的统计结果的关键部件优化后的电机模型,可以看出与原始模型相比,整体的温度上升运动减少,安全裕度的轴承温升已得到改进。模型优化后,气隙通道的冷却水流方向变化回到前面,所以前端轴承的温升降低最明显的是,可以减少和最高温度6.3 K。虽然后轴承的平均温度略有增加,最高温度仍下降(25]。上述结果表明,电动机的温升可以优化本文通过减少前端腔的体积的气隙通道。在设计电机的几何、空腔结构的前后两端气隙水通道应该充分考虑,避免回流现象,后腔中的压力比前端。
5。结论
作者提出了传感和数值模拟三维流场和温度场的分析潜水电机,基于CFD软件Fluent,作者进行了三维流场和温度场仿真分析潜水电机;研究发现,回流现象发生在电动机的气隙水通道,造成电动机的前端的温度要高于后端。作者做了一个系统的、深入的分析逆流现象在电动机的气隙水通道,发现回流的压力是由于气隙水通道的背腔比前面的空腔。为了消除回流现象,作者几何优化模型,提高了轴承温升的安全系数,并进一步提高了电机温升。研究表明,在设计电机几何、空腔结构的前后两端气隙通道应该充分考虑,避免回流的现象,减少系统的冷却效率。
数据可用性
使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
本研究支持的大学护理程序为年轻学者与黑龙江省创新型人才,项目没有:unpysct - 2020040。