新型的電機(jī)流場(chǎng)觀測(cè)裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及了一種觀測(cè)裝置與方法，尤其是涉及了一種新型的電機(jī)流場(chǎng)觀測(cè)裝置與方法，可用于電機(jī)內(nèi)部冷卻空氣流場(chǎng)的觀測(cè)，利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)(particle imagevelocimetry，PIV)從微觀上觀測(cè)冷卻空氣流場(chǎng)以優(yōu)化電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來(lái)，隨著應(yīng)用場(chǎng)合的多樣化，電機(jī)設(shè)計(jì)的大功率密度，高可靠性和緊湊化越來(lái)越成為研究人員追求的目標(biāo)。在這一發(fā)展過(guò)程中，人們卻不得不面對(duì)這三者之間無(wú)法兼顧的窘境。而限制這三個(gè)需求的關(guān)鍵，就是電機(jī)溫升。過(guò)高的電機(jī)溫升將會(huì)帶來(lái)電機(jī)過(guò)熱、絕緣失效、永磁體失效等一系列問(wèn)題。溫升的控制主要有兩個(gè)方面，一是電機(jī)損耗，二是電機(jī)散熱。如今對(duì)于電機(jī)損耗的控制和優(yōu)化已經(jīng)有了很多研究，而對(duì)于電機(jī)散熱優(yōu)化分析卻比較少。因此對(duì)于電機(jī)散熱的優(yōu)化，將對(duì)于電機(jī)設(shè)計(jì)，特別是大功率電機(jī)設(shè)計(jì)有著極大的意義。在電機(jī)損耗不變的前提下，電機(jī)的冷卻能力決定了電機(jī)的溫升。而溫升又影響到電機(jī)的絕緣情況，額定容量以及是否出現(xiàn)退磁等更嚴(yán)重的問(wèn)題。因此，如何提升電機(jī)的冷卻性能已經(jīng)成為電機(jī)設(shè)計(jì)、制造中的重要問(wèn)題。
[0003]氣冷和液冷是兩種主要的冷卻方式。由于氣冷冷卻結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，需要的附加設(shè)備較少，一直是研究的熱門(mén)。但是在散熱分析時(shí)，水冷的流量和溫升更易于測(cè)量和計(jì)算。對(duì)于水冷電機(jī)，通過(guò)對(duì)于冷卻液流量以及進(jìn)出口溫差的測(cè)量，就能比較精確地分析一個(gè)散熱方案的有效性。相對(duì)于水冷，風(fēng)冷是以空氣做冷卻介質(zhì)，在相同條件下其向外傳熱系數(shù)僅為水冷傳熱系數(shù)的四十分之一左右，所以一般而言氣冷中空氣的流量和流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水冷，這就為精確分析流量帶來(lái)了問(wèn)題。同時(shí)由于電機(jī)中冷卻空氣通道結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比如轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，定子以及轉(zhuǎn)子的繞組等部位，都是發(fā)熱嚴(yán)重需要詳細(xì)的冷卻性能分析的部位，但是其復(fù)雜的結(jié)構(gòu)使得氣流在其中的流動(dòng)有更多的不確定性，極易出現(xiàn)湍流等復(fù)雜的流體情況，使得對(duì)其的研究變得更加的困難。因此對(duì)于電機(jī)冷卻空氣流場(chǎng)的研究，很難做到精確計(jì)算而只能采取一定的方法對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)。對(duì)電機(jī)冷卻空氣流場(chǎng)的觀測(cè)，是優(yōu)化電機(jī)散熱的基礎(chǔ)。
[0004]隨著圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，粒子圖像測(cè)速技術(shù)(particleimagevelocimetry’PIV)得到了長(zhǎng)足發(fā)展，現(xiàn)在己被廣泛應(yīng)用于各種流場(chǎng)的測(cè)量，從定常流動(dòng)到非定常流動(dòng)、低速流動(dòng)到高速流動(dòng)、單相流動(dòng)到多相流動(dòng)等。PIV的基本原理是在流場(chǎng)中散布示蹤粒子，同時(shí)用激光片光源入射到所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域中，照亮所測(cè)平面的示蹤粒子，通過(guò)極短時(shí)間內(nèi)的連續(xù)兩次或多次曝光，將粒子圖像記錄到底片或CCD高速相機(jī)上。利用相關(guān)計(jì)算方法對(duì)于相鄰兩張照片的粒子進(jìn)行分析，得到兩張照片中圖片的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而可獲得粒子在拍攝時(shí)刻的瞬時(shí)速度。
[0005]Bryanston-Cross，P.J.在其 1993年發(fā)表的論文《The Applicat1n of PIV(Particle Image Velocimetry)to transonic Flow Measurements》中利用PIV技術(shù)分析了飛機(jī)引擎中進(jìn)氣流的問(wèn)題，就是一個(gè)早期PIV技術(shù)應(yīng)用的典型。其分析了傳統(tǒng)方式下難以分析的較為復(fù)雜架構(gòu)內(nèi)部的氣體流場(chǎng)狀態(tài)，并取得了一些進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)所需的數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為優(yōu)化電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本發(fā)明提出了一種新型的電機(jī)流場(chǎng)觀測(cè)裝置與方法，利用實(shí)驗(yàn)的方法觀測(cè)冷卻空氣流場(chǎng)情況，對(duì)流場(chǎng)的邊界問(wèn)題進(jìn)行觀測(cè)，尤其是在流固接觸面附近的流場(chǎng)邊界效應(yīng)。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0008]一、一種新型的電機(jī)流場(chǎng)觀測(cè)裝置:
[0009]包括風(fēng)源、示蹤粒子注入?yún)^(qū)和實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型，風(fēng)源經(jīng)第一風(fēng)路轉(zhuǎn)換管連接到示蹤粒子注入?yún)^(qū)，示蹤粒子注入?yún)^(qū)經(jīng)第二風(fēng)路轉(zhuǎn)換管連接到實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型的風(fēng)路接口，實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型的主體結(jié)構(gòu)采用透光材料，CCD高速相機(jī)和激光片光源分別安裝在實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型的側(cè)方并朝向?qū)嶒?yàn)電機(jī)模型內(nèi)部的流場(chǎng)，CCD高速相機(jī)和激光片光源均與PIV專用計(jì)算機(jī)連接。
[0010]所述的實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型的外殼和定轉(zhuǎn)子必要部位采用透光材料，以利于根據(jù)PIV技術(shù)的原理，高速相機(jī)精確捕捉流場(chǎng)情況，其余部位采用與實(shí)際電機(jī)相同的材料，以充分還原實(shí)際電機(jī)的流場(chǎng)情況。
[0011]所述的實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型的主體結(jié)構(gòu)采用有機(jī)玻璃等透光性能良好的材料制作。
[0012]所述的激光片光源朝向?qū)嶒?yàn)電機(jī)模型內(nèi)部流場(chǎng)，并調(diào)整激光片光源使其發(fā)射的激光面和所需要觀測(cè)的面重合。所述的CCD高速相機(jī)朝向所需要拍攝的觀測(cè)面。
[0013]二、一種新型的電機(jī)流場(chǎng)觀測(cè)方法:
[0014]風(fēng)源啟動(dòng)，示蹤粒子注入到示蹤粒子注入?yún)^(qū)，使得示蹤粒子和流場(chǎng)混合均勻，風(fēng)力將示蹤粒子經(jīng)風(fēng)路接口吹入到實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型中，激光片光源發(fā)射激光照射到實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型內(nèi)帶有示蹤粒子的流場(chǎng)中，通過(guò)示蹤粒子顯示出流場(chǎng)的分布和狀態(tài)運(yùn)動(dòng)情況，進(jìn)而被CCD高速相機(jī)采集得到。
[0015]優(yōu)選地所述的示蹤粒子采用霧化小液滴。
[0016]根據(jù)本實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)的速度以及流場(chǎng)的物理化學(xué)特性，采用霧化小液滴作為實(shí)驗(yàn)的示蹤粒子，在流場(chǎng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型前將示蹤粒子和流場(chǎng)混合均勻，保證一定的示蹤粒子濃度可以得到理想的觀測(cè)效果。
[0017]流場(chǎng)觀測(cè)中，采用可控加熱設(shè)備進(jìn)行溫度工況的模擬，采用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)工況的模擬。
[0018]工況模擬時(shí)，主要考慮模擬電機(jī)的溫度工況以及通風(fēng)工況。溫度工況采用可控加熱設(shè)備比如電熱帶等加熱電機(jī)模型中的相應(yīng)部位鐵材料模擬實(shí)際電機(jī)發(fā)熱;通風(fēng)設(shè)備采用離心風(fēng)機(jī)，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制通風(fēng)以模擬實(shí)際電機(jī)的通風(fēng)工況。
[0019]本發(fā)明是通過(guò)粒子圖像測(cè)速技術(shù)觀測(cè)電機(jī)內(nèi)部冷卻空氣流場(chǎng)。整套裝置包括PIV設(shè)備(主要包括激光片光源和高速相機(jī))，實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型，加熱設(shè)備以及通風(fēng)設(shè)備等。采用激光片光源和高速相機(jī)的配合觀測(cè)冷卻空氣流場(chǎng)情況，尤其是在流固接觸面附近的流場(chǎng)邊界效應(yīng)。
[0020]本發(fā)明首先根據(jù)實(shí)際電機(jī)結(jié)構(gòu)，以有機(jī)玻璃等透光性良好的材料制作所需要的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。然后根?jù)實(shí)際電機(jī)運(yùn)行工況，利用離心風(fēng)機(jī)，可控加熱設(shè)備等設(shè)備在實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型中模擬實(shí)際電機(jī)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。選擇合適的示蹤粒子，在流場(chǎng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型前將示蹤粒子和流場(chǎng)混合均勻，調(diào)整激光片光源使其入射到所測(cè)流場(chǎng)區(qū)域中，照亮所測(cè)平面的示蹤粒子，利用CCD高速相機(jī)記錄流場(chǎng)中示蹤粒子的運(yùn)動(dòng)圖像，分析得到所需要觀測(cè)流場(chǎng)的速度分布。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:
[0022]1、本發(fā)明可得到電機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)的精確分布情況，尤其可以得到流固接觸面的邊界流場(chǎng)分布情況。
[0023]2、電機(jī)模型的主體結(jié)構(gòu)采用有機(jī)玻璃等透光性能良好材料制作。根據(jù)PIV技術(shù)的原理，實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型外殼以及定轉(zhuǎn)子必要部位使用透光材料制作，以利于高速相機(jī)精確捕捉流場(chǎng)情況，實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型其余部位盡量采用和實(shí)際電機(jī)相同的材料制作，以充分還原實(shí)際電機(jī)的流場(chǎng)情況。
[0024]3、實(shí)驗(yàn)時(shí)采用離心風(fēng)機(jī)等設(shè)備提供實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型風(fēng)源，采用可控加熱設(shè)備加熱實(shí)驗(yàn)電機(jī)模型定轉(zhuǎn)子以及繞組等發(fā)熱部位。準(zhǔn)確模擬實(shí)際電機(jī)運(yùn)行的工況，保證電機(jī)冷卻空氣流場(chǎng)觀測(cè)的準(zhǔn)確性。
[0025]4、選擇合適的示蹤粒子。根據(jù)本實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)的速度