王 柳，林江波

(丹佛斯(天津)有限公司，天津 301700)

渦旋壓縮機用電機冷卻系統(tǒng)CFD傳熱分析

王 柳，林江波

(丹佛斯(天津)有限公司，天津 301700)

闡述了基于流體和固體耦合的渦旋壓縮機電機冷卻系統(tǒng)的仿真原理及方法，結(jié)合有限元仿真軟件ANSYS Fluent，構(gòu)建了渦旋壓縮機電機冷卻系統(tǒng)的流固耦合仿真模型，獲取了電機內(nèi)部及周圍冷媒的溫度和流場分布信息，并制作樣機進行了試驗，試驗結(jié)果顯示模擬結(jié)果和試驗結(jié)果具有很強的一致性，為渦旋壓縮機電機結(jié)構(gòu)改進和冷卻性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。結(jié)合電機結(jié)構(gòu)和壓縮機低壓腔氣路分布的特點，為增大冷卻電機冷媒流量，對電機轉(zhuǎn)子打孔的方案進行模擬分析，模擬結(jié)果顯示能有效改善電機散熱。

渦旋壓縮機；電機冷卻系統(tǒng)；CFD；流固耦合傳熱

1 前言

渦旋壓縮機結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠，廣泛應(yīng)用于制冷空調(diào)領(lǐng)域[1,2]。電機作為壓縮機的驅(qū)動動力，是壓縮機的核心部件，電機性能直接影響壓縮機的制冷效果。為提高電機的性能，除了電磁設(shè)計之外，電機的冷卻散熱是設(shè)計的重點，因此，電機的冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計是提高電機性能的關(guān)鍵因素。全封閉式壓縮機的電機散熱主要靠冷媒換熱，冷媒氣體進入壓縮機低壓腔側(cè)與電機表面進行對流換熱，通過氣流間隙帶走定子、繞線端、上下端環(huán)及轉(zhuǎn)子表面的熱量，進行冷卻。

計算流體力學(xué)的方法已在車用電機及航空用電機冷卻系統(tǒng)研究方面得到了廣泛的應(yīng)用[3,4]。針對電機冷卻系統(tǒng)的研究，單獨對電機系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)流路做仿真分析的研究較多[5～8]。目前壓縮機電機的冷卻系統(tǒng)主要依靠試驗研究，依據(jù)電機表面的溫度，對電機散熱情況有初步的了解，但針對電機耦合傳熱模型，尚未深入研究。本文采用FLUNET流體計算軟件，以丹佛斯壓縮機為研究對象，提出電機冷卻系統(tǒng)的流固耦合傳熱模型分析方法，對電機冷卻系統(tǒng)的流場及溫度場進行分析研究。分析電機內(nèi)部各部件的溫度分布及最高溫度點，通過電機與冷媒氣體的流固耦合計算來進行電機散熱的優(yōu)化設(shè)計。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特點及流路分布

電機在運行過程中，處在交變磁場中電機鐵芯會產(chǎn)生鐵損，繞組通電后會產(chǎn)生銅損，還有轉(zhuǎn)子的鋁損以及其他電磁損失等，這些電機損耗均會產(chǎn)生熱量，從而使電機溫度升高。

在壓縮機內(nèi)，電機處在低壓腔側(cè)，電機散熱主要方式包括2種形式：(1)電機定子鐵芯通過熱裝的方式與壓縮機的殼體組裝到一起，電機鐵芯產(chǎn)生的熱量通過殼體以輻射換熱的方式傳遞到空氣中，這種方式散熱量很??；(2)冷媒通過對流換熱方式將定子與轉(zhuǎn)子間隙、定子繞線機轉(zhuǎn)子端環(huán)外表面的熱量帶走。輻射換熱對電機散熱影響很小，本文主要研究對流換熱對電機散熱的影響。

電機冷卻系統(tǒng)流路即為壓縮機低壓腔冷媒氣體的流路，冷媒從壓縮機吸氣口進入，經(jīng)電機定子與殼體之間的空隙及電機內(nèi)部氣隙繞流，最后進入壓縮機渦旋腔吸氣口，如圖1所示。

圖1 電機冷卻系統(tǒng)流路

3 冷卻系統(tǒng)氣固耦合傳熱計算模型

3.1 基本的假設(shè)

(1)壓縮機低壓腔內(nèi)的氣體及電機冷卻氣體的流速均低于音速，可看作不可壓縮流體。

(2)電機周圍氣體雷諾數(shù)大于2300，屬于湍流流動，采用湍流模型求解。

(3)電機的工作狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)，未考慮瞬態(tài)及電機轉(zhuǎn)速的影響。

3.2 熱源的確定

本文計算模型的熱源即為電機的總損耗，電機的工作電壓為400 V，扭矩為63 N?？倱p耗由定子銅損、定子鐵損、轉(zhuǎn)子鋁損、轉(zhuǎn)子鐵損及電磁損耗構(gòu)成，表達式為：

PLOSS=PSCu+PSFe+PRAl+PRFe+Pother

(1)

式中 PLOSS——總損耗 PSCu——定子銅損 PSFe——定子鐵損 PRAl——轉(zhuǎn)子鋁損 PRFe——轉(zhuǎn)子鐵損 Pother——其他電磁損耗

采用電機設(shè)計軟件Speed計算所得，電機的總損耗為1686.3 W，PSCu=749.8 W，PSFe=160.3 W，PRAl=736.3 W，PRFe=0.5 W，Pother=40 W。熱源總損失以體熱源的形式加到電機各個體內(nèi)，進行CFD的計算。

3.3 邊界條件的確定

(1)入口為壓縮機吸氣口，采用壓力進口，壓力值為0.994 MPa，溫度為299.7 K；出口采用質(zhì)量出口，質(zhì)量流量為720 kg/h，溫度采用默認(rèn)值。

(2)電機各部分的接觸面為耦合熱傳導(dǎo)邊界；冷卻氣體與電機通風(fēng)氣隙接觸面為耦合對流傳熱邊界。

(3)氣體與潤滑油接觸面熱邊界采用定溫度邊界，其值為366.75 K。

3.4 流體及固體的物性參數(shù)

本文涉及電機及制冷氣體材料如表1所示。

表1 物性參數(shù)

注：R410a的黏度為1.7182×10-5Pa·S。

4 電機傳熱CFD分析

4.1 電機結(jié)構(gòu)及壓縮機低壓腔的流路

電機繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，上線包和下線包形狀不規(guī)則，定子槽內(nèi)導(dǎo)線分布不均勻。建立定子模型前做適當(dāng)?shù)募僭O(shè)，模型簡化處理，電機整體模型如圖2所示。

圖2 電機簡化模型

壓縮機低壓腔的流路為制冷劑氣體流經(jīng)的區(qū)域，從壓縮機吸氣口到渦旋盤的進氣口之間的區(qū)域，簡化如圖3所示。

圖3 流路簡化模型

氣體流路主要分為兩部分：(1)氣流由吸氣口向上流動到達渦旋盤的進氣口；(2)氣流由吸氣口進入，經(jīng)過電機周圍的間隙，包括定子切邊氣隙和定子與轉(zhuǎn)子之間氣隙，對電機進行冷卻系統(tǒng)。

本文計算模型為流路模型與電機模型疊加的物理模型。

4.2 網(wǎng)格劃分

考慮到定子疊片和槽內(nèi)導(dǎo)線以及轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)特點，使用六面體網(wǎng)格劃分，電機其他部分及流體區(qū)域采用四面體網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格總數(shù)大約為10000000個，如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

4.3 模擬結(jié)果分析及試驗驗證

4.3.1 耦合傳熱原理

電機散熱包括導(dǎo)熱和對流，電機內(nèi)部傳熱方式為導(dǎo)熱，電機外表面與制冷劑氣體之間的傳熱方式為對流[9～11]。

物體內(nèi)部的導(dǎo)熱方程為：

(2)

式中φ——熱流量，WA——傳熱面積，m2λ——導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)T——溫度，Kn——法向單位矢量，m

將導(dǎo)熱物體某點分割為微元，通過導(dǎo)熱基本定律可得導(dǎo)熱微分方程:

(3)

式中qv——單位體積發(fā)熱率，W/m3ρ——密度，kg/m3c——定容熱熔，J/(kg·K)τ——時間，s

式(3)等號左邊第一項是通過界面的導(dǎo)熱而使微元體在單位時間內(nèi)增加的能量，第二項為微元內(nèi)部自發(fā)產(chǎn)熱量，等號右端為熱力學(xué)能的增量。

根據(jù)牛頓冷卻定律，物體對流換熱過程方程：

φ=h(Tw-Tf)A

(4)

式中h——對流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)Tw——固體表面溫度Tf——流體平均溫度

4.3.2 溫度分布特點及試驗驗證

結(jié)合傳熱原理和電機流固耦合傳熱的特點，電機內(nèi)部自發(fā)產(chǎn)生的熱量即電機的損耗做功，電機內(nèi)部的導(dǎo)熱與電機材料的導(dǎo)熱系數(shù)有關(guān)，電機本身能量的增加體現(xiàn)為電機溫度的升高。

分析電機內(nèi)部散熱分布特點，從溫度分布云圖(圖5，6)分析得到，壓縮機的吸氣口在電機的上方，從制冷劑氣體自上而下流，電機之間的氣隙再到渦旋吸氣口，電機整體的溫度分布是上面溫度比下面溫度低。

從溫度場分布來看，轉(zhuǎn)子比定子的溫度高，溫度最高點出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的下端子處。分析其主要原因，一方面與傳熱面積的大小成正比，定子與制冷劑接觸的對流傳熱面積更大；一方面與電機材料傳熱系數(shù)有關(guān)，定子部件銅的傳熱系數(shù)大于轉(zhuǎn)子部件鋁的傳熱系統(tǒng)。

圖5 溫度分布云圖

圖6 溫度分布云圖

該試驗在焓差實驗室內(nèi)進行，壓縮機內(nèi)充入制冷劑為R410a，試驗工況為制冷空調(diào)運行工況，測試的溫度為線包外表面3點的平均溫度值。

本文模擬的工況為電機最大負(fù)荷工況，電壓為400 V，模擬結(jié)果相對于試驗結(jié)果的誤差在5%以內(nèi)，如表2所示，驗證了采用CFD流體仿真結(jié)果的可靠性。

表2 溫度值對比

結(jié)合以上分析結(jié)果，根據(jù)電機冷卻系統(tǒng)流路分布特點，可通過增大電機外表面的對流換熱面積及對流換熱系數(shù)，加強電機散熱，為電機散熱提供優(yōu)化方案。

4.4 設(shè)計方案優(yōu)化

原電機轉(zhuǎn)子截面如圖7所示，改進方案為在原方案的疊片結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上開槽，即增加通風(fēng)孔，具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。本文對電機溫度分布及通風(fēng)孔的流量進行分析研究。從溫度分布云圖(圖5，6)分析得到，壓縮機的吸氣口在電機的上方，電機整體的溫度分布是上部溫度比下部溫度低，轉(zhuǎn)子比定子的溫度高，溫度最高點出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的下端子處。

圖7 原電機轉(zhuǎn)子截面(原方案)

圖8 改進后電機轉(zhuǎn)子截面(改進方案)

改進后的方案與原方案的溫度分布有相似之處，較原方案整體溫度值有所降低，如圖9所示。

圖9 改進方案溫度分布云圖

制冷氣體通過電機通風(fēng)間隙內(nèi)的通風(fēng)量，由4.48%增加到6.10%，能有效增加電機與氣體的對流換熱量，改善電機散熱。

如圖10所示，改善方案與原方案相比，電機的溫度降低，定子溫度降低4～9 °C，轉(zhuǎn)子溫度降低14～33 °C，電機系統(tǒng)尤其是轉(zhuǎn)子部分得到明顯的改善。

圖10 溫度對比

5 結(jié)論

(1)本文提出了壓縮機用電機冷卻系統(tǒng)流固耦合的計算分析方法。通過對電機冷卻系統(tǒng)耦合傳熱分析，更詳細(xì)清楚了解電機內(nèi)溫度分布特點，對電機冷卻系統(tǒng)進一步優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

(2)通過對樣機進行試驗，驗證了CFD耦合傳熱仿真的可行性。

(3)通過原方案與改進方案的對比分析得到，改進方案在轉(zhuǎn)子散熱方面有明顯的改善，轉(zhuǎn)子溫度降低14～33°C，定子溫度也有所下降。

運用流體力學(xué)計算方法對壓縮機用電機冷卻系統(tǒng)進行耦合傳熱分析,對優(yōu)化電機通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)提供理論,減少樣機試制,縮短研發(fā)周期,降低研發(fā)成本。

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Conjugate Heat Transfer CFD Analysis of Motor Applied in Scroll Compressor

WANG Liu，LIN Jiang-bo

(Danfoss (Tianjin) Ltd.,Tianjin 301700,China)

A gas-solid conjugate heat transfer analysis of motor in scroll compressor by CFD method is presented.Based on the analysis of the temperature and the flow of the calculation region,the temperature distribution of the inner motor and the flow distribution of the motor cooling system is shown in detail.In the final,the prototype model is test in the lab,and the trend of simulation result is aligned with the test data.Considering the motor structure and the low pressure side plenum of the compressor,the rotor part of the motor is slotted in order to enlarge the flow rate trough the motor.

scroll compressor;motor cooling system;CFD;conjugate heat transfer

1005-0329(2017)02-0057-05

2016-06-17

2016-07-29

TH457

A

10.3969/j.issn.1005-0329.2017.02.013

王柳(1982-)，女，中級工程師，碩士研究生，從事制冷及空調(diào)領(lǐng)域CFD模擬仿真研究，通訊地址：301700 天津市武清區(qū)福源道5號丹佛斯(天津)有限公司,E-mail:WangLiu@danfoss.com。