储能飞轮冷却系统强制循环水冷换热过程的二维温度场分析

廖泽荣+吴新淼

摘 要 储能飞轮冷却系统是高储能飞轮系统工程应用中的关键技术之一，通过采用循环水冷方式，建立传热学分析模型，利用ANSYS软件对水冷散热结构进行了二维温度场计算及分析，结果表明改变冷却水流量时，电机定子最高温度的变化并不是线性的，应合理选择冷切水流量。

关键词 温度分布；二维温度场；循环水冷；储能飞轮

中图分类号 TP69 文献标识码 A 文章编号 2095-6363（2017）14-0031-02

国内在20世纪80年代逐渐开始了飞轮储能系统的研究，参与研究相关的单位主要有中科院电工研究[1]、清华大学[2]，北京航空航天大学[3]等。高储能飞轮系统存储—释放能量过程中产生了热损耗，使其冷却系统的设计成为了高储能飞轮系统工程应用中的关键技术之一。目前常用的冷却方式有循环水冷、风冷、蒸发冷却、散热器冷却等。本文主要采用的冷却方式为水冷，通过建立传热学分析模型，利用有限元的分析方法分析循環水冷换热过程的二维温度场。

1 传热学分析模型的建立

储能飞轮系统电机发热主要来自电机定子损耗所产生的热辐射，冷却结构的设计为在下支座中嵌入冷却水套，利用循环水冷方式带走定子产生的热量。因此，选取电机定子、下支座及冷却水套作为分析模型。如图1所示。

2 二维温度场分析结果

利用ANSYS软件当中的热分析模块对热分析模型进行二维温度场分析，在进行二维温度计算时，忽略电机定子径向温度分布的不均匀性，轴向的温度分布可以选择不同位置的截面进行仿真分析。取电机定子的中间截面作为稳态温度场的求解区域，电机定子各个轴向截面的结构模型相同，得到电机冷却系统稳定工作时截面的热通量分布及温度分布如图2及图3所示。

如上分析图，从截面的热通量分布图中可以看出，热通量（heat flux）在冷却套的周围存在最大值，充分表明在单位时间内，相比其他位置冷却套带走了更多的热量。从截面的温度分布图可以得出，在冷却系统的作用下，温度较低的位置存在于冷却套周围热通量大的位置。在电机的定子最内侧处温度最大约为48℃，且沿径向由内向外温度逐渐降低。为了更加直观地查看电机定子的径向温度分布情况，可以从电机中心沿径向定义一条直线，从电机定子内侧到下支座外表面的温度变化曲线如图4所示。

从图4中可以看到，从定子内侧到下支座外表面温度逐渐降低，在靠近定子内侧的位置温度变化较小，对应温度在48℃左右。温度在冷却水套周围的梯度较大，说明在等却水套周围吸收了较多的热量，随后温度梯度又逐渐减缓。

3 冷却水流量对温度分布的影响

通过对电机冷却系统二维截面上的温度分布的研究，可以大致估计其各处的温度。为了确保更好的冷却系统性能，还应分析不同水流量的时，冷却系统的温度变化情况，从而证明其二维截面上的温度随冷却水流量的改变而产生的影响，为冷却系统的设计提供更好的参考条件。同样，以轴向中间截面为研究对象，计算当流量由额定的15增加+20%，+40%，-20%，-40%时相应的散热系数变化值，再加载进行分析后得到其温度分布规律，得到的结果如图5～图8所示。

图5—图8表明了当冷却水的流量流速发生改变时，其截面上的温度分布也相应的发生改变。当增大冷却水流量时，其雷诺数也相对的增大，冷却水套的散热系数也逐渐变大，冷却的效果随之增大，冷却流体更好地带走了电机内热量，冷却系统内各部件温度相对降低。反之，各部件温度相对增加。但是，除了温度值的整体变化，温度分布的趋势则大致相似。各分析结果的温度最高点在截面上的位置是相同的，都在电机定子最内侧，其最高温度值也都在合理的温升范围内。把不同流体流速所对应的截面温度最高点进行比较，如图9所示。

从图9中可以看出，在改变冷却水流量时，电机定子最高温度的变化并不是线性的。因此，在设计冷却系统时，应当考虑这一因素，合理地调整冷却水流量的大小。

4 结论

利用有限元方法对储能飞轮强制水冷散热系统水冷散热结构进行了二维温度场计算及分析，通过对模型轴向中间截面的分析获得了大致的截面温度场，并分析了冷却水流量改变时二维温度场的变化情况，得出不同工作环境下冷却系统温度场的分析结果。

参考文献

[1]周龙，齐智平.解决配电网电压暂降问题的飞轮储能单元建模与仿真[J].电网技术，2009，33（19）：152-158.

[2]戴兴建，于涵，李奕良.飞轮储能系统充放电效率实验研究[J].电工技术学报，2009，24（3）：20-24.

[3]杨春帆，刘刚，张庆荣.磁悬浮姿控储能飞轮能量转换控制系统设计与实验研究[J].航天控制，2007，25（3）：91-96.