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摘 要 針對飛輪儲能系統(tǒng)500 kW電機定子的散熱問題，在定子外側(cè)加裝螺旋水套進行冷卻；通過簡化熱源和傳熱模型，建立等效復(fù)合換熱模型，并完成對電機定子的液冷設(shè)計；利用數(shù)值模擬方法快速校核設(shè)計結(jié)果，計算得到了定子內(nèi)部溫度分布和水套摩擦阻力。固定槽高或槽寬，增大槽寬或槽高，造成壓降減小，定子的最高溫度有一定上升。研究給出了設(shè)計水套槽道的尺寸，為滿足定子溫度要求，在一定的設(shè)計溫升下，冷卻水的進口溫度應(yīng)不超過某一值。提高冷卻水設(shè)計溫升，冷卻水最大允許進口溫度略有下降。設(shè)計方法簡單高效，可為飛輪儲能系統(tǒng)電機定子冷卻設(shè)計提供參考。
關(guān)鍵詞 飛輪儲能；電機定子；散熱設(shè)計；水套；溫度；壓損
作為物理儲能方式的一種，飛輪儲能具有比能量高、比功率高、充放電次數(shù)與充放電深度無關(guān)、能量轉(zhuǎn)化效率高、可靠性好、易維護、無使用環(huán)境條件要求、無污染等優(yōu)點，特別適用于需要短時大功率電能輸出且充放電次數(shù)頻繁的場合，已應(yīng)用于交通運輸、電網(wǎng)調(diào)節(jié)、新能源發(fā)電和不間斷電源等領(lǐng)域。
飛輪儲能系統(tǒng)主要包括飛輪本體、電機、軸承、真空保護殼體、變流器等部件。電機是飛輪儲能系統(tǒng)的重要部件，通過集成的電動/發(fā)電一體機實現(xiàn)電能和機械能的相互轉(zhuǎn)換。飛輪儲能系統(tǒng)中常用的高速電機有永磁無刷電機、感應(yīng)電機和開關(guān)磁阻電機。其中永磁電機因為效率高、能量密度大、維護方便、運行轉(zhuǎn)速范圍寬等特點在飛輪儲能系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。飛輪儲能在向大功率、低損耗的方向發(fā)展，這對電機功率提升和損耗控制提出了更高要求。電機運行過程中不可避免產(chǎn)生損耗，這些損耗大多以熱能形式散出，轉(zhuǎn)為電機的主要熱源，使電機溫度提高。電機內(nèi)的主要損耗包括定子銅損、鐵損和轉(zhuǎn)子渦流損失及風(fēng)損，隨著電機轉(zhuǎn)速提高，風(fēng)損占總損耗比例逐漸增大。為了減小風(fēng)損，將飛輪儲能系統(tǒng)置于真空狀態(tài)下，可有效降低轉(zhuǎn)子的摩擦損失。通常通過電機磁路設(shè)計從源頭上降低轉(zhuǎn)子損耗，在真空條件下，電機轉(zhuǎn)子可采用空心軸內(nèi)流冷卻和熱管冷卻方式。飛輪儲能系統(tǒng)電機在不同轉(zhuǎn)速之間頻繁切換，整體損耗更大，其中定子損耗仍是主要損耗，產(chǎn)生大量熱量，給電機帶來巨大溫升，溫升過高會導(dǎo)致電機絕緣的老化加劇甚至損毀電機。
傳統(tǒng)的冷卻方式有風(fēng)冷、液冷和混合冷卻。飛輪儲能系統(tǒng)用電機的功率密度大，需要處于真空環(huán)境，對空間限制較為寬松。風(fēng)冷換熱能力有限，且需要建立內(nèi)部流道、破壞真空環(huán)境，因此并不適用。液冷通過在電機定子或外殼設(shè)置密封循環(huán)流道，不影響轉(zhuǎn)子的真空環(huán)境，換熱能力強，經(jīng)濟實用，非常適用于飛輪儲能系統(tǒng)用電機定子的冷卻。針對電機定子水套冷卻的設(shè)計，常用三種計算方法，簡化公式法、等效熱網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)值計算法。簡化公式法通過熱平衡計算得到相應(yīng)溫升及設(shè)計參數(shù)，計算簡便且理論性強，但需要進一步校核和檢驗。等效熱路法利用集總參數(shù)法等效各部分的熱源及熱阻，并建立熱網(wǎng)絡(luò)，其計算精度適中，取決于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量。數(shù)值解法通過建立詳細(xì)的計算模型并求解流體的流動傳熱獲得定子的溫度分布，精度高，目前使用較多，但計算復(fù)雜且消耗計算資源大、計算時間長。目前缺乏一種簡單快捷的設(shè)計方法，能夠快速對電機定子水套冷卻開展設(shè)計并進一步校核和檢驗。
本文針對飛輪儲能系統(tǒng)的500 kW高速永磁電機，采用液冷系統(tǒng)降低電機定子溫度，在給定損耗條件下，結(jié)合簡化公式法和數(shù)值計算法，通過簡化熱源和傳熱模型，建立等效復(fù)合換熱模型，開展電機定子液冷設(shè)計；簡化流體傳熱計算，利用數(shù)值模擬方法快速校核設(shè)計結(jié)果，并開展進一步研究。
1 電機結(jié)構(gòu)參數(shù)和損耗
飛輪儲能系統(tǒng)所用的電機尺寸參數(shù)為：定子外徑650 mm、內(nèi)徑440 mm，轉(zhuǎn)軸直徑240 mm、外徑425 mm，軸向長度404 mm，轉(zhuǎn)子磁鋼疊壓在硅鋼片內(nèi)。定子槽數(shù)為72，其外形結(jié)構(gòu)見圖1(a)。飛輪儲能電機定子繞組的槽型結(jié)構(gòu)圖如圖1(b)所示?？梢钥吹街饕ㄣ~繞組、槽底墊條、中間墊條、楔下墊條、槽楔、絕緣層。其中，繞組銅主要是用來繞成若干線圈，用于傳導(dǎo)產(chǎn)生的感應(yīng)電流；槽底墊條、絕緣層、中間墊條、楔下墊條等主要起固定和絕緣的作用。
圖1 電機1/6外形結(jié)構(gòu)和定子槽型示意圖
針對電機液體冷卻，常用的液路形式有軸向型、周向型和螺旋型，其中螺旋型壓降最低，消耗泵功最小，冷卻效率略弱于軸向型，遠(yuǎn)優(yōu)于周向型。綜合考慮，本文選用螺旋型液路作為冷卻形式(見圖2)。電機殼體和液路之間主要存在強迫對流和熱傳導(dǎo)傳熱現(xiàn)象。采用水作為傳熱流體，對定子進行冷卻。
圖2 螺旋型水套冷卻水流道示意圖
采用的電機設(shè)計參數(shù)如表1所示，電機額定功率為500 kW，工作轉(zhuǎn)速在2250~4500 r/min，效率為97%。取2.5%的定子損耗，按照電機定子鐵耗和銅耗最大設(shè)計值3.178 kW和2.975 kW的比例，得到定子鐵耗和銅耗分別為6.456 kW和6.044 kW，以此為電機最大熱損耗，設(shè)計計算并校驗定子冷卻。
表1 電機設(shè)計參數(shù)和熱源情況
2 數(shù)值計算模型
通過分析建立等效復(fù)合換熱模型，考慮繞組發(fā)熱情況，并對水套模型進行了簡化
為了降低數(shù)值模擬的復(fù)雜度，縮短計算時間，進行如下假設(shè)：
（1）采用三維穩(wěn)態(tài)計算模型，假設(shè)每個槽楔發(fā)熱量相同，與周邊槽楔是對稱的，以其中一個定子槽楔作為計算對象代表整個電機定子；
（2）由于水套內(nèi)冷卻水從換熱表面流過，流動均勻一致，將水套對流換熱折合成等效換熱面積上的對流換熱；
（3）由于損耗在一定體積內(nèi)轉(zhuǎn)化為熱量，假設(shè)熱量均勻分布在繞組和硅鋼內(nèi)部，通過在繞組、不同位置的硅鋼設(shè)置內(nèi)熱源方式模擬定子鐵耗和銅耗；
（4）由于邊界上溫度較低，不考慮邊界上的輻射換熱。
電機定子銅耗、定子齒部和軛部的鐵耗不同，分別設(shè)置不同的內(nèi)熱源。由于電機轉(zhuǎn)子另外設(shè)計了散熱，其溫度不高，且電機整體處于真空環(huán)境下，風(fēng)損很小，靠近轉(zhuǎn)子部分的定子齒部設(shè)置了絕熱條件。在定子軛部外側(cè)設(shè)置了水套體，使用公式(8)得到的等效對流換熱系數(shù)，在水套體外側(cè)設(shè)置對流邊界條件以考慮定子水套冷卻，相關(guān)設(shè)置見圖3。
圖3 熱源及邊界條件設(shè)置
通過時步有限元對電機鐵芯磁場的數(shù)值計算，在4500 r/min下得到定子鐵芯在齒身中部A點、齒跟中部B點和軛部中部C點磁密變化波形(見圖4)。可以看到，齒身中部、齒根中部和軛部中部的最大磁密依次減小，約為1.08 T、0.75 T和0.49 T，綜合齒部和軛部的磁密分布情況，得到定子齒部和軛部損耗分別是1.51 kW和1.67 kW，以此設(shè)置定子齒部和軛部的內(nèi)熱源qv
其中Ploss為損耗，V為內(nèi)熱源所占的體積。
圖4 電機磁密波形
根據(jù)相關(guān)假設(shè)，建立能量守恒方程
其中，Ro是指添加水套之后的定子外半徑。
計算過程主要用到的材料包括環(huán)氧樹脂、復(fù)合材料、F級絕緣材料、銅和硅鋼片等，相關(guān)材料的導(dǎo)熱系數(shù)如表2所示。
表2 主要材料導(dǎo)熱系數(shù)
根據(jù)電機的外形結(jié)構(gòu)建立模型，代入設(shè)計過程獲得的等效對流換熱系數(shù)、冷卻液進口溫度、損耗情況等，在ANSYS Workbench中開展有限元穩(wěn)態(tài)分析。為了驗證網(wǎng)格無關(guān)性，建立了3套網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)分別為31316、56485和104666，在相同計算工況下，定子最高溫度分別是79.275 ℃、79.278 ℃和79.279 ℃，定子平均溫度分別是57.129 ℃、56.309 ℃和56.506 ℃，定子平均溫度第1套網(wǎng)格比第2套網(wǎng)格誤差為1.46%，第2套網(wǎng)格比第3套誤差為0.35%，因此選用網(wǎng)格數(shù)為56485的網(wǎng)格，計算模型及網(wǎng)格劃分情況如圖5所示。
圖5 計算模擬網(wǎng)格劃分
3 電機液冷系統(tǒng)散熱的分析計算
3.1 溫度場分析
取槽道高0.04 m、槽道寬0.03 m、螺距0.047 m、槽道壁厚0.017 m，設(shè)計溫升3 ℃，電機轉(zhuǎn)速為4500 r/min，冷卻水進口溫度30 ℃，計算定子的溫度分布，結(jié)果如圖6所示。沿著徑向方向，定子的溫度越來越低，熱量被最外側(cè)的冷卻水帶走。在更靠近轉(zhuǎn)子的定子繞組處取得最高溫度約77.91 ℃。
圖6 正常工況下定子溫度場分布
3.2 壓降計算分析
根據(jù)公式(10)可得所用螺旋水套的摩擦阻力。如圖7所示，在槽寬0.03 m時，隨著槽高的增大，計算得到的壓降逐漸減小，定子最高溫度升高。在槽寬0.03 m時，壓降為10.0 kPa，定子最高溫度為67.82 ℃，槽寬為0.05 m時，壓降降低到2.9 kPa，定子最高溫度升高為68.30 ℃。
圖7 槽高和壓降、定子最高溫度的關(guān)系
如圖8所示為在槽高為0.04 m時，槽寬和壓降及定子最高溫度的關(guān)系。隨著槽寬的增大，計算得到的壓降逐漸減小，定子最高溫度逐漸升高。槽寬從0.02 m升高到0.045 m，壓損從14.4 kPa降低到1.8 kPa，定子最高溫度從67.82 ℃升高到68.40 ℃。綜合圖7和圖8可知，增大槽尺寸會增大定子最高溫度，在滿足定子冷卻要求條件下，基于流動阻力考慮，可以選取流道寬度和高度較大的槽道結(jié)構(gòu)。
圖8 槽寬和壓降、定子最高溫度的關(guān)系
3.3 不同冷卻水進口溫度的影響
最終選擇槽道高度0.04 m，槽道寬度0.03 m，螺距0.03 m，槽道壁厚0.005 m，螺旋槽道內(nèi)徑為0.36 m，設(shè)計流道長度為18 m。取相同的槽道尺寸，取電機最大熱損耗，設(shè)計冷卻水溫升為3 ℃，根據(jù)公式(1)，計算可得冷卻水質(zhì)量流量為1.00 kg/s，流速為0.83 m/s，圖9為冷卻水進口溫度與定子最高溫度的關(guān)系，可以看到隨著冷卻水進口溫度增大，定子最大溫度逐漸升高，近似線性。在冷卻水進口溫度為20 ℃時，定子最大溫度為68.06 ℃，冷卻水進口溫度為60 ℃時，定子最大溫度為107.59 ℃。要滿足散熱要求，冷卻水進口溫度應(yīng)不超過52.4 ℃。
圖9 冷卻水進口溫度與定子最高溫度關(guān)系
在電機最大熱損耗下，為滿足定子最高溫度小于100 ℃，冷卻水設(shè)計溫升與冷卻水最高進口溫度的關(guān)系如圖10所示。可以看到，隨著冷卻水設(shè)計溫升的增大，冷卻水最高進口溫度逐漸減小，近似呈線性。冷卻水設(shè)計溫升從2 ℃提高到6 ℃，流量降低，冷卻水進口溫度需從52.8 ℃降低至51.1 ℃。
圖10 冷卻水設(shè)計溫升與冷卻水最高進口溫度的關(guān)系
4 結(jié) 論
飛輪儲能系統(tǒng)頻繁工作在不同轉(zhuǎn)速，電機發(fā)熱量巨大。針對飛輪儲能系統(tǒng)500 kW電機的定子冷卻問題，采用在定子外圍加裝螺旋水套的方式解決。結(jié)合簡化公式法和數(shù)值計算法，通過簡化熱源和傳熱模型，建立等效復(fù)合換熱模型，完成定子水套散熱設(shè)計，并利用有限元方法對設(shè)計結(jié)果進行快速校核和進一步研究，研究結(jié)論如下：
（1）選用螺旋水套冷卻形式可有效解決飛輪儲能系統(tǒng)電機定子的散熱，設(shè)計的水套槽道高度0.04 m，槽道寬度0.03 m，螺距0.047 m，槽道壁厚0.017 m，螺旋槽道內(nèi)徑為0.71 m。在設(shè)計冷卻水進口溫度為20 ℃，設(shè)計溫升為3 ℃時，電機最大損耗下，定子最高溫度為68.06 ℃。
（2）在槽高固定情況下，隨著槽寬的增大，或固定槽寬，隨著槽高的增大，計算得到的摩擦阻力減小，定子最高溫度升高。
（3）在電機最大損耗下，設(shè)計槽道尺寸下，給定冷卻水設(shè)計溫升3 ℃，則冷卻水進口溫度不超過52.4 ℃可滿足冷卻設(shè)計要求。提高冷卻水設(shè)計溫升，流量減小，需降低冷卻水進口溫度。
