An investigation into thermal processes in a combined autonomous generator by means of modelling temperature fields

Full Text

При разработке высокоиспользуемых электромеханических преобразователей существует проблема оценки их теплового состояния на стадии проектирования. Применяемые в настоящее время методики теплового расчета в большинстве своем являются приближенными и не учитывают реального распределения температурного поля в поперечном сечении электрической машины. Особенно остро эта проблема стоит для электрических генераторов, используемых в качестве источников питания бортовых систем автономных объектов. Генераторы в этих системах располагаются в жестко ограниченных условиях моторного отсека и подвержены значительным тепловым воздействиям и от двигателя внутреннего сгорания, и от собственных потерь. Поэтому уточнение значений тепловых нагрузок является актуальной задачей совершенствования подобных электромеханических преобразователей. Объектом исследования выбран бесщеточный вентильный двухкаскадный синхронный генератор со следующими основными параметрами: - мощность - номинальное выпрямленное напряжение - частота вращения ; - охлаждение воздушное забортным воздухом под напором с расходом и возможностью увеличения расхода в два раза; - температура охлаждающей среды . В качестве пазовой и полюсной изоляции используется изоляционная бумага Nomex, позволяющая эксплуатацию при температуре до 220 оС [4]. Обмоточный провод - ПЭТ-имид с нагревостойкой эмалевой изоляцией. В качестве альтернативного воздушному охлаждению был рассмотрен вариант с жидкостным (антифриз) охлаждением. Для решения тепловой задачи необходимо: - выявить все источники тепла и определить объемные мощности тепловыделения в активных элементах машины; - разработать геометрическую модель генератора и задать ее физические свойства. Допущения, принятые в исследовании: - генератор представлен двумерной геометрической моделью; - параметры теплоотвода постоянны и изотропны (коэффициент теплопроводности , коэффициент теплоотдачи ); - нагрев лобовых частей обмотки учитывается традиционными интегральными методами; - основное направление теплоотдачи - радиальное. Первое допущение не вызывает существенной ошибки при расчете температурного поля, так как относительная длина генератора . При таких геометрических параметрах краевые эффекты слабо влияют на температурное и электромагнитное поле генератора. Поэтому решение 2D задачи является оправданным [2]. Рис. 1. Геометрическая модель синхронного генератора: 1 - магнитопровод ротора; 2 - катушка ротора; 3 - паз статора; 4 - корпус; 5 - вентиляционный канал; 6 - магнитопровод статора; 7 - межполюсное окно Геометрическая модель (рис. 1) представляет собой поперечное сечение основного каскада двухкаскадного генератора с разбиением на расчетные блоки, а также область воздушного пространства вокруг статора машины. Пространство, через которое проходит забортный воздух, ограничено внутренней поверхностью статора и внешней поверхностью ротора (полюсы и намотанные на них обмотки индуктора), в поперечном сечении имеет площадь S. Источниками тепла, выделяющегося в генераторе в номинальном режиме, являются: электрические потери в обмотках статора и ротора, потери от вихревых токов и на гистерезис в магнитопроводе статора, а также поверхностные потери в полюсных башмаках. При решении тепловой задачи физические свойства стальных участков, окружающего воздуха, воздуха внутри машины и пазовой изоляции задавались соответствующими коэффициентами теплопроводности. Для обмоток якоря и индуктора были рассчитаны эквивалентные коэффициенты теплопроводности, учитывающие толщину изоляции, пропитку и коэффициент заполнения медью [1]. Потери в меди статора и ротора, а также поверхностные потери и потери в стали статора были рассчитаны аналитически, а в свойствах соответствующих блоков заданы объемные плотности тепловыделения (). Граничные условия задавались на поверхности корпуса генератора постоянным коэффициентом теплоотдачи без учета обдува и конвекции. На поверхности, ограничивающей воздушный зазор, с учетом обдува забортным воздухом скоростью число Рейнольдса Reз = 4,39·103 > 2·103, следовательно, в зазоре устанавливается турбулентный режим течения, при котором теплообмен не зависит от вращения ротора [1]. Рис. 2. Температурное поле генератора с воздушным охлаждением без каналов охлаждения в статоре Коэффициент теплоотдачи в зазоре , на боковой поверхности полюсных наконечников ротора , на поверхности катушек ротора . Задача решалась для установившегося режима (стационарная задача) с фиксированной температурой на границе области расчета 393 К (+120 °С), соответствующей требованиям технического задания. В результате расчета методом конечных элементов (МКЭ) в программной среде Elcut [3] была получена картина температурного поля, представленная на рис. 2. На рис. 3 показана кривая распределения температуры по сечению А-А’ главного каскада генератора. Сечение проходит по наиболее нагретым элементам статора и ротора - серединам катушек (см. рис. 2). Задача решалась для конструкции без осевых вентиляционных каналов. Рис. 3. Распределение температуры по сечению катушек статора и ротора Из графика видно, что максимальную температуру имеет середина паза статора: Тmax = 576 К (303 оС). Так как тепловые нагрузки существенно выше допустимых, а наиболее нагретой частью машины является обмотка статора, в геометрической модели между статором (6) и корпусом (4) были введены каналы охлаждения (5) (см. рис. 1). После этого были пересчитаны коэффициенты теплоотдающих поверхностей, так как скорость циркуляции воздуха при этом изменилась. Решены несколько вариантов тепловой задачи для 8, 16 и 32 каналов охлаждения (суммарная площадь каналов охлаждения при этом оставалась постоянной) при номинальном, полуторакратном и двукратном расходе воздуха. Результаты решения представлены на рис. 4. Рис. 4. Зависимость температуры обмоток статора и ротора от числа каналов в статоре при различных расходах охлаждающей среды По итогам численного моделирования температурного поля генератора с воздушным охлаждением установлено: - конструкция генератора без каналов охлаждения в статоре не удовлетворяет требованиям по перегреву в пределах допустимого расхода охлаждающей среды; - при номинальном расходе воздуха конструкция с 32 каналами охлаждения имеет допустимые температуры обмоток; - эффективность охлаждения увеличивается с увеличением числа каналов охлаждения при неизменном их суммарном сечении; - допустимое значение перегрева можно обеспечить увеличением расхода воздуха. В случае жидкостного охлаждения пространство, через которое проходит хладагент, ограничено внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью статора. Тепловая задача формулировалась следующим образом: обеспечение приемлемого по классу изоляции уровня нагрева при различном расходе хладагента. Расход охлаждающей среды (антифриза) варьируется от до . Расход охлаждающей среды рассчитывался по формуле , где - суммарная площадь каналов охлаждения; - скорость охлаждающей среды. На поверхности, ограничивающей воздушный зазор с учетом ламинарного с макровихрями течения среды, коэффициент теплоотдачи для зазора [1] на боковой поверхности полюсных наконечников , на поверхности катушек ротора . Для ламинарного режима движения жидкого теплоносителя (Re < 2320) коэффициент теплоотдачи канала охлаждения . В результате расчета МКЭ в программной среде Elcut была получена картина температурного поля, представленная на рис. 5. На рис. 6 показана кривая распределения температуры по сечению А-А’ главного каскада генератора. Сечение проходит по наиболее нагретым элементам статора и ротора - серединам катушек. Рис. 5. Картина температурного поля генератора с жидкостным охлаждением По результатам расчета максимально нагретыми оказались проводники обмотки возбуждения, расположенные в середине катушки, температура которых составила 200 °С, причем плотность тока в этой обмотке на 40 % ниже, чем в обмотке якоря. Обмотка якоря находится в лучших условиях с точки зрения теплоотвода из-за наличия каналов между корпусом и сердечником статора, в которых циркулирует жидкий хладагент. Максимальная температура обмотки якоря составила 164 °С. Тепловая задача решалась для различного расхода жидкой охлаждающей среды. На рис. 7 приведена зависимость температуры наиболее нагретых частей обмоток статора и ротора от скорости движения антифриза в каналах. Рис. 7. Зависимость температуры обмоток от скорости движения жидкого хладагента По итогам численного моделирования температурного поля генератора с жидкостным охлаждением установлено: - наиболее нагруженным звеном в тепловом отношении является ротор основного каскада генератора; - при увеличении расхода жидкой охлаждающей среды максимальная температура обмотки якоря (статора) снижается по экспоненциальной зависимости; - температура обмотки возбуждения (ротора) практически не зависит от скорости прокачки антифриза в каналах статора, но соответствует применяемому классу изоляции.

About the authors

Yuri A Makarychev

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

Yuri V Zubkov

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

Yuri N Ivannikov

Samara State Technical University

Assistant 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

References

Supplementary files