CN105486479A - 新型的电机流场观测装置与方法 - Google Patents

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方攸同
李统
陈威
黄晓艳
马吉恩
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M9/00—Aerodynamic testing; Arrangements in or on wind tunnels

Abstract

本发明公开了一种新型的电机流场观测装置与方法。风源经第一风路转换管连接到示踪粒子注入区，示踪粒子注入区经第二风路转换管连接到实验电机模型的风路接口，实验电机模型主体结构采用透光材料，CCD高速相机和激光片光源分别安装在实验电机模型的侧方并朝向内部流场，CCD高速相机和激光片光源均与PIV专用计算机连接；激光照射到实验电机模型内带有示踪粒子的流场中，通过示踪粒子显示出流场的分布和状态运动情况，被CCD高速相机采集得到。本发明可用于电机内部冷却空气流场的观测，并能准确模拟实际电机运行的工况，保证电机冷却空气流场观测的准确性，并从微观上观测冷却空气流场以优化电机散热结构。

Description

新型的电机流场观测装置与方法
技术领域
本发明涉及了一种观测装置与方法，尤其是涉及了一种新型的电机流场观测装置与方法，可用于电机内部冷却空气流场的观测，利用粒子图像测速技术(particleimagevelocimetry,PIV)从微观上观测冷却空气流场以优化电机散热结构。
背景技术
近年来，随着应用场合的多样化，电机设计的大功率密度，高可靠性和紧凑化越来越成为研究人员追求的目标。在这一发展过程中，人们却不得不面对这三者之间无法兼顾的窘境。而限制这三个需求的关键，就是电机温升。过高的电机温升将会带来电机过热、绝缘失效、永磁体失效等一系列问题。温升的控制主要有两个方面，一是电机损耗，二是电机散热。如今对于电机损耗的控制和优化已经有了很多研究，而对于电机散热优化分析却比较少。因此对于电机散热的优化，将对于电机设计，特别是大功率电机设计有着极大的意义。在电机损耗不变的前提下，电机的冷却能力决定了电机的温升。而温升又影响到电机的绝缘情况，额定容量以及是否出现退磁等更严重的问题。因此，如何提升电机的冷却性能已经成为电机设计、制造中的重要问题。
气冷和液冷是两种主要的冷却方式。由于气冷冷却结构简单，需要的附加设备较少，一直是研究的热门。但是在散热分析时，水冷的流量和温升更易于测量和计算。对于水冷电机，通过对于冷却液流量以及进出口温差的测量，就能比较精确地分析一个散热方案的有效性。相对于水冷，风冷是以空气做冷却介质,在相同条件下其向外传热系数仅为水冷传热系数的四十分之一左右，所以一般而言气冷中空气的流量和流速远远大于水冷，这就为精确分析流量带来了问题。同时由于电机中冷却空气通道结构复杂，比如转子结构，定子以及转子的绕组等部位，都是发热严重需要详细的冷却性能分析的部位，但是其复杂的结构使得气流在其中的流动有更多的不确定性，极易出现湍流等复杂的流体情况，使得对其的研究变得更加的困难。因此对于电机冷却空气流场的研究，很难做到精确计算而只能采取一定的方法对其进行观测。对电机冷却空气流场的观测，是优化电机散热的基础。
随着图像处理技术和计算机技术的进步，粒子图像测速技术(particleimagevelocimetry,PIV)得到了长足发展，现在己被广泛应用于各种流场的测量，从定常流动到非定常流动、低速流动到高速流动、单相流动到多相流动等。PIV的基本原理是在流场中散布示踪粒子，同时用激光片光源入射到所测流场区域中，照亮所测平面的示踪粒子，通过极短时间内的连续两次或多次曝光，将粒子图像记录到底片或CCD高速相机上。利用相关计算方法对于相邻两张照片的粒子进行分析，得到两张照片中图片的对应关系，进而可获得粒子在拍摄时刻的瞬时速度。
Bryanston-Cross,P.J.在其1993年发表的论文《TheApplicationofPIV(ParticleImageVelocimetry)totransonicFlowMeasurements》中利用PIV技术分析了飞机引擎中进气流的问题，就是一个早期PIV技术应用的典型。其分析了传统方式下难以分析的较为复杂架构内部的气体流场状态，并取得了一些进一步优化结构所需的数据。
发明内容
为优化电机散热结构提供实验数据，本发明提出了一种新型的电机流场观测装置与方法，利用实验的方法观测冷却空气流场情况，对流场的边界问题进行观测，尤其是在流固接触面附近的流场边界效应。
本发明的技术方案为：
一、一种新型的电机流场观测装置：
包括风源、示踪粒子注入区和实验电机模型，风源经第一风路转换管连接到示踪粒子注入区，示踪粒子注入区经第二风路转换管连接到实验电机模型的风路接口，实验电机模型的主体结构采用透光材料，CCD高速相机和激光片光源分别安装在实验电机模型的侧方并朝向实验电机模型内部的流场，CCD高速相机和激光片光源均与PIV专用计算机连接。
所述的实验电机模型的外壳和定转子必要部位采用透光材料，以利于根据PIV技术的原理，高速相机精确捕捉流场情况，其余部位采用与实际电机相同的材料，以充分还原实际电机的流场情况。
所述的实验电机模型的主体结构采用有机玻璃等透光性能良好的材料制作。
所述的激光片光源朝向实验电机模型内部流场，并调整激光片光源使其发射的激光面和所需要观测的面重合。所述的CCD高速相机朝向所需要拍摄的观测面。
二、一种新型的电机流场观测方法：
风源启动，示踪粒子注入到示踪粒子注入区，使得示踪粒子和流场混合均匀，风力将示踪粒子经风路接口吹入到实验电机模型中，激光片光源发射激光照射到实验电机模型内带有示踪粒子的流场中，通过示踪粒子显示出流场的分布和状态运动情况，进而被CCD高速相机采集得到。
优选地所述的示踪粒子采用雾化小液滴。
根据本实验流场的速度以及流场的物理化学特性，采用雾化小液滴作为实验的示踪粒子，在流场进入实验电机模型前将示踪粒子和流场混合均匀，保证一定的示踪粒子浓度可以得到理想的观测效果。
流场观测中，采用可控加热设备进行温度工况的模拟，采用离心风机进行通风工况的模拟。
工况模拟时，主要考虑模拟电机的温度工况以及通风工况。温度工况采用可控加热设备比如电热带等加热电机模型中的相应部位铁材料模拟实际电机发热；通风设备采用离心风机，通过调节风机转速达到控制通风以模拟实际电机的通风工况。
本发明是通过粒子图像测速技术观测电机内部冷却空气流场。整套装置包括PIV设备(主要包括激光片光源和高速相机)，实验电机模型，加热设备以及通风设备等。采用激光片光源和高速相机的配合观测冷却空气流场情况，尤其是在流固接触面附近的流场边界效应。
本发明首先根据实际电机结构，以有机玻璃等透光性良好的材料制作所需要的实验模型。然后根据实际电机运行工况，利用离心风机，可控加热设备等设备在实验电机模型中模拟实际电机的流场和温度场。选择合适的示踪粒子，在流场进入实验电机模型前将示踪粒子和流场混合均匀，调整激光片光源使其入射到所测流场区域中，照亮所测平面的示踪粒子，利用CCD高速相机记录流场中示踪粒子的运动图像，分析得到所需要观测流场的速度分布。
本发明的有益效果是：
1、本发明可得到电机内部流场的精确分布情况，尤其可以得到流固接触面的边界流场分布情况。
2、电机模型的主体结构采用有机玻璃等透光性能良好材料制作。根据PIV技术的原理，实验电机模型外壳以及定转子必要部位使用透光材料制作，以利于高速相机精确捕捉流场情况，实验电机模型其余部位尽量采用和实际电机相同的材料制作，以充分还原实际电机的流场情况。
3、实验时采用离心风机等设备提供实验电机模型风源，采用可控加热设备加热实验电机模型定转子以及绕组等发热部位。准确模拟实际电机运行的工况，保证电机冷却空气流场观测的准确性。
4、选择合适的示踪粒子。根据本实验流场的速度以及流场的物理化学特性，采用雾化小液滴作为实验的示踪粒子，在流场进入实验电机模型前将示踪粒子和流场混合均匀，保证一定的示踪粒子浓度可以得到理想的观测效果。
附图说明
图1为电机内部流场观测系统示意图。
图2为PIV设备拍摄流场示意图。
图中：1-风源、2-第一风路转换管、3-示踪粒子注入区、4-第二风路转换管、5-风路接口、6-实验电机模型、7-CCD高速相机、8-激光片光源、9-PIV专用计算机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括风源1、示踪粒子注入区3和实验电机模型6，风源1经第一风路转换管2连接到示踪粒子注入区3，示踪粒子注入区3经第二风路转换管4连接到实验电机模型6的风路接口5，实验电机模型6的主体结构采用透光材料，CCD高速相机7和激光片光源8分别安装在实验电机模型6的侧方并朝向实验电机模型6内部的流场，CCD高速相机7和激光片光源8均与PIV专用计算机9连接。
激光片光源8朝向实验电机模型6内部流场，并调整激光片光源8使其发射的激光面和所需要观测的面重合。所述的CCD高速相机7朝向所需要拍摄的观测面。
风源1启动，示踪粒子注入到示踪粒子注入区3，使得示踪粒子和流场混合均匀，风力将示踪粒子经风路接口5吹入到实验电机模型6中，激光片光源8发射激光照射到实验电机模型6内带有示踪粒子的流场中，通过示踪粒子显示出流场的分布和状态运动情况，进而被CCD高速相机7采集得到。
根据本实验流场的速度以及流场的物理化学特性，采用雾化小液滴作为实验的示踪粒子，在流场进入实验电机模型前将示踪粒子和流场混合均匀，保证一定的示踪粒子浓度可以得到理想的观测效果。
本发明的实验电机模型的主体结构采用透光性能良好的有机玻璃制作，以利于CCD高速相机精确捕捉流场情况。另外考虑到流场分布情况与固体表面的特性比如表面粗糙度相关，为尽量还原流场结构，除去根据观测要求必要位置采用透光材料外，其余部位采用实际电机相同的材料。
同时在适当位置嵌入铁材料也利于实验时温度工况模拟，采用电热带等可控加热设备加热相应部位铁材料来模拟定转子以及绕组的发热工况。
利用离心风机作为实验电机模型风路所需的风源，利用可控加热设备提供实验电机模型发热部位的热源。
本发明的具体实施过程如下：
实验过程中，控制风源1和加热设备提供所需工况：风源由离心风机和变频器组成，离心风机的转速由变频器控制，在设定离心风机转速时，使用皮托管辅助测量实验电机模型6风路中的风速。设定离心风机转速，使皮托管所测风路中的风速为实验要求风速；加热设备由带控制器的电热带组成，将电热带紧贴实验电机模型需要加热的部位，设定电热带的加热温度为电机运行时的实际温度。
根据流场的物理化学特性，选择雾化小液滴作为示踪粒子，利用雾化器将液体雾化并注入示踪粒子注入区3的前端，流场通过整个示踪粒子注入区3和示踪粒子混合均匀。激光片光源8沿着所需要观测的平面区域由模型外部向内部投射，使其发射的激光面和所需要观测的面重合，CCD高速相机7对准所需要观测的平面进行拍摄，如图2所示。
设定一个时间间隔进行连续两次曝光，利用相关计算方法对于相邻两张照片的粒子进行分析，可获得粒子在拍摄时刻的瞬时速度，即为观测区域流场的速度分布。通过多次分块观测可进一步得到整个电机冷却空气流场的流速分布情况，尤其是流场边界，流固接触面附近的流场情况，为优化电机散热结构提供实验数据。
可见，本发明技术效果显著突出，可观测得到电机内部流场的精确分布情况，可获得流固接触面的边界流场分布情况，能准确模拟实际电机运行的工况，并从微观上观测冷却空气流场以优化电机散热结构。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能想到的同等技术方案。

Claims (7)

1.一种新型的电机流场观测装置，其特征在于：包括风源(1)、示踪粒子注入区(3)和实验电机模型(6)，风源(1)经第一风路转换管(2)连接到示踪粒子注入区(3)，示踪粒子注入区(3)经第二风路转换管(4)连接到实验电机模型(6)的风路接口(5)，实验电机模型(6)的主体结构采用透光材料，CCD高速相机(7)和激光片光源(8)分别安装在实验电机模型(6)的侧方并朝向实验电机模型(6)内部的流场，CCD高速相机(7)和激光片光源(8)均与PIV专用计算机(9)连接。
2.根据权利要求1所述的一种新型的电机流场观测装置，其特征在于：所述的实验电机模型(6)的外壳和定转子必要部位采用透光材料，其余部位采用与实际电机相同的材料。
3.根据权利要求1所述的一种新型的电机流场观测装置，其特征在于：所述的实验电机模型(6)的主体结构采用有机玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种新型的电机流场观测装置，其特征在于：所述的激光片光源(8)朝向实验电机模型(6)内部流场，激光片光源(8)发射的激光面和所需要观测的面重合，所述的CCD高速相机(7)朝向所需要拍摄的观测面。
5.一种新型的电机流场观测方法，其特征在于：采用权利要求1～4任一所述装置，风源(1)启动，示踪粒子注入到示踪粒子注入区(3)，使得示踪粒子和流场混合均匀，风力将示踪粒子经风路接口(5)吹入到实验电机模型(6)中，激光片光源(8)发射激光照射到实验电机模型(6)内带有示踪粒子的流场中，并调整激光片光源(8)使其发射的激光面和所需要观测的面重合，通过示踪粒子显示出流场的分布和状态运动情况，进而被CCD高速相机(7)采集得到。
6.根据权利要求5所述的一种新型的电机流场观测方法，其特征在于：所述的示踪粒子采用雾化小液滴。
7.根据权利要求5所述的一种新型的电机流场观测方法，其特征在于：流场观测中，采用可控加热设备进行温度工况的模拟，采用离心风机进行通风工况的模拟。
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