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作者：王藝斐 1,3 徐帆 1,2王亮 1,2,3戴興建 1,2,3 徐玉杰 1,2,3陳海生 1,2,3
單位：1. 中國科學院工程熱物理研討所 2. 中國科學院年夜學 3. 長時規模儲能重點實驗室(中國科學院)
援用本文：王藝斐, 徐帆, 王亮, 等. 飛輪儲能系統電機定子散熱設計研討[J]. 儲能科學與技術, 2025, 14(5): 1946-1953.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.1172
本文亮點：1 樹立了飛輪儲能電機定子內部傳熱和等效水套冷卻的數學物理模子用于設台灣包養網計研討 2 計算了電機定子內部的溫度分布和水套的摩擦損掉并獲得冷卻水參數對定子最高溫度的影響
摘 要 針對飛輪儲能系統500 kW電機定子的散熱問題包養網，在定子外側加裝螺旋水套進行冷卻；通過簡化熱源和傳熱模子，樹立等效復合換熱模子，并完成對電機定子的液冷設好好休息，沒有化妝，只是一個「填充」嘉賓，葉蒼白計；應用數值模擬方式疾速校核設計結果，包養計算獲得了定子內部溫度分布和水套摩擦阻力。固定槽搜尋關鍵字： 主角：葉秋鎖|配角：謝曦高或槽寬，增年夜槽寬或槽高，形成壓降減小，定子的最高溫度有必定上升。研討給出了設計水套槽道的尺寸，為滿足定子溫度請求，在必定的設計溫升下，冷卻水的進口溫度應不超過某一值。進步冷卻水設計溫升，冷卻水最年夜允許進口溫度略有降落。設計方式簡單高效，可為飛輪儲能系統電機定子冷卻設計供給參考。
關鍵詞 飛輪儲能；電機定子；散熱設計；水套；溫度；壓損
作為物理儲能方法的一種，飛輪儲能具有比能量高、比功率高、包養網站充放電次數與充放電深度無關、能量轉化效力高、靠包養金額得住性好、易維護、無應用環境條件請求、無淨化等優點，特別適用于需求短時年夜功率電能輸出且充放電次數頻繁的場合，已應用于路況運輸、電網調節、新動力發電和不間斷電源等領域。
飛輪儲能系統重要包含飛輪本體、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的主要部件，通過集成的電動/發電一體機實現電能和機械能的彼此轉換。飛輪儲能系包養統中常用的高速電機有永磁無刷電機、感應電機和開關磁阻電機。此中永磁電機因為效力高、能量密度年夜、維護便利、運行轉速范圍寬等特點在飛輪儲能系統中應用廣泛。飛輪儲能在向年夜功率、低損耗的標的目的發展，這對電機功率晉陞和損耗把持提出了更高請求。電機運行過程中不成防止產生損耗，這些損耗年夜多以熱能情勢散出，轉為電機的重要熱源，使電機溫度進步。電機內的重要損耗包含定子銅損、鐵損和轉子渦包養網流損掉及風損，隨著電機轉速進步，風損占總損耗比例逐漸增年夜。為了減小風損，將飛輪儲能系統置于真空狀態下，可有用下降轉子的摩擦損掉。凡是通過電機磁路設計從源頭上下降轉子損耗，在真空條件下，電機轉子可采用空心軸內流冷卻和熱管冷卻方法。飛輪儲能系統電機在分歧轉速之間頻繁切換，整體損耗更年夜，此中定子損耗還是重要損耗，產生大批熱量，給電機帶來宏大溫升，溫升過高會導致電機絕緣的老化加劇甚至損毀電機。
傳統的冷卻方法有風冷、液冷和混雜冷卻。飛輪儲能系統用包養網電機的功率密度年夜，需求處于真空環境，對空間限制較為寬松。風冷換熱才能無限，且需求樹立內部流道、破壞真空環境，是以并不適用。液冷通過在電機包養定子或外殼設置密封循環流道，不影響轉子的真空環境，換熱才能強，經濟實用，很是適用于飛輪儲能系統用電機定子的冷卻。針對電機定子水套冷卻的設計，常用三種計算方式，簡化公式法、等效熱網絡法和數值計算法。簡化公式法通過熱均衡計算獲得相應溫升及設計相親對象，名字叫陳居白。親戚說他長相不錯、收入參數，計算簡便且理論性強，但需求進一個步驟校核和檢驗。等效熱路法應用集總參數法等效各部門的熱源及熱阻，并樹立熱網絡，其計算精包養網比較度適中，取決于網絡節點數量。數值解法通過樹立詳細的包養甜心網計算模子并求解流體的流動傳熱獲得定子的溫度分布，精度高，今朝應用較多，但計算復雜且耗費計算資源年夜、計算時間長。今朝缺少一種簡單快捷的設計方式，能夠疾速對電機定子水套冷卻開展設計并進一個步驟校核和檢驗。
本文針對飛輪儲能系統的500 kW高速永磁電機，采用液冷系統下降電機定子溫度，在給定損耗條件下，結合簡化公式法和數值計算法，通過簡化熱源和傳包養熱模子，樹立等效復合換熱模子，開展電機定子液冷設計；簡化流體傳熱計算，應包養用數值模擬方式疾速校核設計結果，并開展進一個步驟研討。
1 電機結構參數和損耗
飛輪儲能系統所用的電機尺寸參數為：定子外徑650 mm、內徑440 mm，轉軸直徑240 mm、外徑425 mm，軸向長度404 mm，轉子磁鋼疊壓在硅鋼片內。定子槽數為72，其外形結構見圖1(a)。飛輪儲能電機定子繞組的槽型結構圖如圖1(b)所示。可以看到重要包含銅繞組、槽底墊條、中間墊條、楔下墊包養網條、槽楔、絕緣層。此中，繞組銅重要是用來繞成若干線圈，用于傳導產生的感應電流；槽底墊條、絕緣層、中間墊條、楔下墊條等重要起固定和絕緣的感化。
針對電機液體冷卻，常用的液路情勢有軸向型、周向型和螺旋型，此中螺旋型壓降最低，耗費泵功最小，甜心寶貝包養網冷卻效力略弱于軸向型，遠優于周向型。綜合考慮，本文選用螺旋型液路作為冷卻情勢(見圖2)。電機殼體和液路之間重要存在強迫對流和熱傳導傳熱現象。采用水作為傳熱流體，對定子進行冷卻。
采用的電機設計參數如表1所示，電機額定功率為500 kW，任務轉速在2250~4500 r/min，效力為97%。取2.5%的定子損耗，依照電機定子鐵耗和銅耗最年夜設計值3.178 kW和2.975 kW的比例包養甜心網，獲得定子鐵耗和銅耗分別為6.456 kW和6.包養網VIP044 kW，以此為電機最年夜熱損耗，設計計算并校驗定子冷卻。
表1 電機設計參數和熱源情況
2 數值計算模子
通過剖析樹立等效復合換熱模子，考慮繞組發熱情況，并對水套模子進行了簡化
(1)
此中包養網單次，m是冷卻水質量流量，
是冷卻水的溫度變化，為冷卻水的比熱容。根據已知工況熱負荷，冷卻水進口流速為
(2)
此中，體積流量
，為冷卻水的密度，為進口截面積。
(3)
此中，為當量直徑，
為流體動力黏度。根據相關換熱經驗關系式計算獲得
當>10000時
(4)
當<2200時
(5)
此中，為普朗特數，為管長，
為由壁面溫度計算的動力黏包養度。螺旋管內的流體向前運動過程中會連續改變標的目的，是以會在橫截面上惹起二次環流而強化換熱。工程上普通采用努塞爾數乘以螺旋管修改系數來計算實際努塞爾數。
對于液體
(6)
此中，為水套螺旋半徑，修改后的努塞爾數為
(7)
為對流換熱系數，為流體導熱系數。
由上述公包養式可得對流換熱系數，在保證熱負荷不變情況下，通過對比簡化模子與實際水套換熱面積，可得等效對流換熱系數
(8)
顯然數值模擬中，冷卻水進口溫度和冷卻水溫升不變時，分歧流道尺寸對應的等效對流換熱系數相等，數值計算結果分歧。但是分歧流道尺寸和螺距組合會產生分歧的摩擦阻力
(9)
此中，摩擦阻力系數可通過阿里特蘇里公式計算求得
(10)
為了下降數值模擬的復雜度，縮短計算時間，進包養金額行如下假設：
（1）采用三維穩態計算模子，假設每個槽楔發熱量雷同，與周邊槽楔是對稱的，以此中一個定子槽楔作為計算對象代表整個電機定子；
（2）由于水套內冷卻水從換熱概況流過，流動均勻分歧，將水套對流換熱折分解等效換熱面積上的對流換熱；
（3）由于損耗在必定體積內轉化為熱量，假設熱量均勻分布在繞組和硅鋼內部，包養合約通過在繞組、分歧地位的硅鋼設置內熱源方法模擬定子鐵耗和銅耗；
（4）包養意思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分歧，分別設置分歧的內熱源。由于電機轉子別的設計了散熱，其溫度不高，且電機整體處于真空環境下，風損很小，接近轉子部門的定子齒部設置了絕熱條件。在定子軛部外側設置了水套體，應用公式(8)獲得的等效對流換熱系數，在水套體外側設置對流邊界條件以考慮定子水套冷卻，相關設置見圖3。
通過時步無限元對電機鐵芯磁場的數值計算，在4500 r/min下獲得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年夜磁密順次減小，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，獲得定子齒部和軛部損耗分別是1.51 kW和1.67 kW，以此設置定子齒部和軛部的內熱源
(11)
此中loss為損耗，為內熱源所占的體積。
根據相關假設，樹立能量守恒方程
(12)
對流邊界條件如下：
(=o)(13)
此中，o是指添加水套之后的定子外半徑。
計算過程重要用到的資料包含環氧樹脂、復合資料、F級絕緣資料、銅和硅鋼片等，相關資料的導熱系數如表2所示。
表2 重要資料導熱系數
根據電機的外形結構樹立模子，代進設計過程獲得包養的等效對流換熱系數、冷卻液進口溫度、損耗情況等，在ANSYS Workbench中開展無限元穩態剖析。為了驗證網格無關性，樹立了3套網格，網格數分別為31316、56485和104666，在雷同計算工況下，定子最高溫包養網單次度分別是79.包養網dcard275 ℃、79.278 ℃和79.2包養甜心網79 ℃，定子均勻溫度分別是57.129 ℃、56.309 ℃和56.506 ℃，定子均勻溫度第1套網格比第2套網格誤差為1.46%，第2套網格比第
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