路義萍， 豐帆， 王佐民， 溫嘉斌， 劉興家

(1.哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080;2.哈爾濱理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080)

0 引言

隨著對(duì)環(huán)保低碳的認(rèn)識(shí)不斷加深，對(duì)于經(jīng)濟(jì)、高效的電機(jī)的需求更加強(qiáng)烈。在采用不同冷卻介質(zhì)的各種電機(jī)中，采用空氣冷卻的電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱空冷電機(jī))，相對(duì)于采用氫氣冷卻的電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱氫冷電機(jī))來說，外形尺寸較大、單機(jī)容量和效率較低，但空冷電機(jī)具有運(yùn)行簡(jiǎn)單、維護(hù)成本低的明顯優(yōu)勢(shì)。目前，大量應(yīng)用空冷電機(jī)來滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求已經(jīng)成為一種趨勢(shì)，對(duì)于空冷電機(jī)的研究開發(fā)、設(shè)計(jì)生產(chǎn)的投入顯著增加［1－2］。通過先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用，更加精確地把握空冷電機(jī)的整體設(shè)計(jì)，有效地降低了電機(jī)損耗，提高了效率和運(yùn)行穩(wěn)定性。在電機(jī)設(shè)計(jì)中，通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是決定能否有效帶走熱量、控制溫度、降低通風(fēng)損耗的關(guān)鍵點(diǎn)。

目前，國內(nèi)針對(duì)電機(jī)定子端部溫度場(chǎng)研究中，對(duì)端部結(jié)構(gòu)進(jìn)行大量的簡(jiǎn)化，與定子鐵心分開單獨(dú)計(jì)算［3－5］，由于定子部件內(nèi)部的熱傳導(dǎo)是連續(xù)的，特別是繞組，存在絕緣以及綁扎結(jié)構(gòu)的包裹，散熱效果差，周圍部件對(duì)其散熱的影響不能忽略。因而，采用局部物理模型得到的計(jì)算結(jié)果，其準(zhǔn)確性有待提高。本文針對(duì)一臺(tái)空冷同步電機(jī)定子，建立了包括端部繞組、鐵心及氣隙的三維實(shí)體模型，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件Fluent，對(duì)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)進(jìn)行了耦合計(jì)算。通過計(jì)算得到了該電機(jī)定子在3 120 r/min和4 800 r/min兩種工況下定子各部分的溫度分布，確定了峰值溫度數(shù)值及位置。在此基礎(chǔ)上，改進(jìn)結(jié)構(gòu)，減少端部上層繞組間綁扎和墊塊，重新進(jìn)行流場(chǎng)與溫度場(chǎng)耦合數(shù)值模擬。與原始結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比后可以看出，定子峰值溫度顯著降低。同時(shí)，分析了定子通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)各部件周圍流場(chǎng)對(duì)溫度的影響，為該同步電機(jī)定子安全運(yùn)行提供了重要的技術(shù)支撐。

1 物理模型

本次研究的電機(jī)定子中，冷卻空氣主要分3路流動(dòng):一路掠過定子端部繞組，流向鐵心背部;一路流經(jīng)壓指間的空隙，與冷卻端部繞組的空氣匯合后流向鐵心背部;一路流向氣隙，與轉(zhuǎn)子槽楔出風(fēng)口出來的空氣混合后進(jìn)入徑向通風(fēng)溝，冷卻鐵心及槽內(nèi)繞組。全部三路冷卻空氣最終進(jìn)入冷卻器，見圖1。

電機(jī)定子結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但幾何結(jié)構(gòu)具有沿圓周方向周期分布、軸向?qū)ΨQ分布特點(diǎn)，因此，本次研究以電機(jī)負(fù)載端軸向半個(gè)定子、圓周方向一個(gè)齒距為計(jì)算區(qū)域，見圖2。電機(jī)軸線為z軸、電機(jī)中心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，即y、z軸分別對(duì)應(yīng)電機(jī)的徑向和軸向。10個(gè)冷卻空氣入口，分別為:風(fēng)扇入口，入口1至入口9分別對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子9個(gè)槽楔出風(fēng)口。冷卻器入口界面為冷卻空氣出口，圖2中最右側(cè)面為中心對(duì)稱面，其他各面均為固體壁面，透明區(qū)域?yàn)榭諝狻?/p>

圖1 定子通風(fēng)系統(tǒng)圖Fig.1 Diagram of the stator ventilation system

圖2 定子計(jì)算區(qū)域Fig.2 Computational domain of stator

2 數(shù)學(xué)模型及求解條件

2.1 基本假設(shè)

1)定子內(nèi)空氣視為不可壓縮流體;

2)忽略重力對(duì)空氣流動(dòng)的影響;

3)定子內(nèi)流動(dòng)的空氣處于湍流狀態(tài);

4)僅研究定子內(nèi)流體穩(wěn)態(tài)流動(dòng);

5)整個(gè)轉(zhuǎn)子出風(fēng)量沿周向均勻分配，由轉(zhuǎn)子進(jìn)入定子的風(fēng)量取轉(zhuǎn)子總出風(fēng)量的1/66，即轉(zhuǎn)子一個(gè)槽風(fēng)量的4/11進(jìn)入一個(gè)定子槽內(nèi);

6)定子鐵心硅鋼片間完全壓緊，鐵心材料為導(dǎo)熱各向異性材料，鐵心徑向及切向?qū)嵯禂?shù)為42.5 W/(m·K)，軸向?qū)嵯禂?shù)為0.57 W/(m·K)。

2.2 數(shù)學(xué)模型

針對(duì)穩(wěn)態(tài)流動(dòng)，質(zhì)量守恒方程及動(dòng)量守恒方程見流場(chǎng)研究文獻(xiàn)［6］;對(duì)于湍流數(shù)學(xué)模型，采用標(biāo)準(zhǔn)k－ε兩方程模型;能量控制方程采用通用形式的能量守恒方程［7］。

2.3 邊界條件

本次研究在電機(jī)流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果基礎(chǔ)上(見文獻(xiàn)［6］)，對(duì)定子各部分熱源進(jìn)行合理設(shè)定。

1)定子出風(fēng)口為壓力出口邊界條件，壓力為260 Pa;

2)定子鐵心軸向中心對(duì)稱面設(shè)為對(duì)稱邊界;

3)機(jī)殼內(nèi)表面及圖2中標(biāo)識(shí)為固體壁面的部分設(shè)為固體壁面邊界;

4)風(fēng)扇入口、入口1至入口9為質(zhì)量流量入口邊界條件?？諝饷芏热?.225 kg/m3，依據(jù)工程慣例，為便于分析，入口流量以體積流量表示。根據(jù)設(shè)計(jì)過程中等效風(fēng)路法的計(jì)算結(jié)果，確定3 120 r/min和4 800 r/min時(shí)風(fēng)扇入口進(jìn)入定子的空氣體積流量分別為0.039 25 m3/s和0.069 23 m3/s，計(jì)算中計(jì)及風(fēng)摩損耗，入口溫度分別為50℃、55℃;圖2中入口1至入口9為轉(zhuǎn)子槽楔出風(fēng)口，體積流量及溫度由該電機(jī)轉(zhuǎn)子三維溫度場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算提供［8］，數(shù)值見表1。

5)依據(jù)電機(jī)設(shè)計(jì)過程中電磁計(jì)算結(jié)果確定電機(jī)各部件熱源強(qiáng)度，具體數(shù)值見表2。

表1 入口1至入口9溫度Table 1 Temperature of inlet 1 to inlet 9

表2 定子內(nèi)各部件熱源強(qiáng)度Table 2 Heat source intensity of components

3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

3.1 定子端部溫度場(chǎng)分析

本文研究應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)一臺(tái)電機(jī)定子內(nèi)三維流場(chǎng)溫度場(chǎng)進(jìn)行了流固耦合數(shù)值模擬，得到了定子內(nèi)空氣及各部件三維溫度分布，見圖3、圖 4。

圖3 3 120 r/min時(shí)定子溫度分布Fig.3 Temperature distribution of stator at 3 120 r/min

圖4 4 800 r/min時(shí)定子溫度分布Fig.4 Temperature distribution of stator at 4 800 r/min

由圖3和圖4可以看出，定子在3 120 r/min和4 800 r/min兩種額定工況下時(shí)，定子端部整體空氣溫度較低，壓圈及上、下層繞組溫度較高。壓圈最高溫度分別為120℃和105℃左右，壓圈的電磁損耗較大，因此產(chǎn)生的熱量也較多。壓圈與壓指緊密接觸，壓圈產(chǎn)生的熱量一部分由壓指間流過的空氣攜帶，另一部分由掠過繞組的空氣攜帶，經(jīng)鐵心背部進(jìn)入冷卻器。合理的安排壓指間距，可以有效調(diào)節(jié)該部分風(fēng)速，不僅可以提高壓指及邊段鐵心的散熱效果，而且對(duì)壓圈的散熱也有積極影響;電機(jī)以3 120 r/min運(yùn)行時(shí)，端部繞組最高溫度約為143℃，見圖5，超過了絕緣耐熱的極限溫度130℃，見圖5。

為保證電機(jī)安全運(yùn)行，在上述計(jì)算基礎(chǔ)上，減少端部上層繞組間綁扎和墊塊，進(jìn)一步計(jì)算了定子溫度場(chǎng)，見圖6。與圖5對(duì)比可以看出，端部繞組的最高溫度降低約15℃，絕緣溫度最高約為120℃。通過減少端部繞組間的綁扎和墊塊，增強(qiáng)了散熱效果，同時(shí)，由于冷卻繞組的熱空氣又繼續(xù)流向壓圈，空氣溫度相對(duì)于未減少端部繞組綁扎和墊塊時(shí)的溫度提高了約5℃，使得壓圈最高溫度提高了約10℃，但端部繞組不再超溫，總體而言，溫度趨于平均。

圖5 3 120 r/min時(shí)端部繞組溫度分布Fig.5 Temperature distribution of end winding at 3 120 r/min

圖6 改進(jìn)結(jié)構(gòu)后3 120 r/min時(shí)定子端部溫度分布Fig.6 Temperature distribution of optimized stator end at 3 120 r/min

改進(jìn)結(jié)構(gòu)后，端部繞組對(duì)流冷卻進(jìn)一步增強(qiáng)，電機(jī)以4 800 r/min運(yùn)行時(shí)，峰值溫度將降低，因而不需計(jì)算溫度場(chǎng)。

3.2 定子鐵心及槽內(nèi)繞組溫度場(chǎng)分析

鐵心部分以及定子槽內(nèi)繞組產(chǎn)生的熱量主要由徑向通風(fēng)溝內(nèi)流過的空氣以對(duì)流換熱的方式帶走。本次研究的電機(jī)采用軸向非等厚度的鐵心段，徑向通風(fēng)溝沿軸向的寬度相等，見圖7。設(shè)計(jì)這種結(jié)構(gòu)是為了使整個(gè)鐵心沿軸向的溫度分布趨于均勻，有效利用冷卻空氣。計(jì)算結(jié)果表明，兩種工況及兩種結(jié)構(gòu)的定子鐵心部分溫度沿軸向分布并不十分均勻。以3 120 r/min、改進(jìn)結(jié)構(gòu)后的定子鐵心部分溫度場(chǎng)為例，見圖7，由端部起，第三和第四段鐵心為最厚鐵心段，與鄰近鐵心段相比溫度高出15℃左右，與靠近中心的鐵心段溫度基本相同，為90至105℃。

槽內(nèi)繞組溫度從端部起沿軸向逐漸升高，最高溫度109℃，在絕緣耐熱極限溫度之下。由于冷卻空氣進(jìn)入氣隙后沿軸向的溫度逐漸升高，與由轉(zhuǎn)子槽楔出風(fēng)口出來的熱空氣混合，徑向通風(fēng)溝內(nèi)風(fēng)速沿軸向分布相對(duì)均勻(見文獻(xiàn)［6］)，使得空氣與繞組間的溫差減小，換熱作用減弱。

圖7 改進(jìn)結(jié)構(gòu)后3 120 r/min時(shí)鐵心和繞組溫度分布Fig.7 Temperature distribution of optimized core and coil at 3 120 r/min

3.3 計(jì)算方法準(zhǔn)確性分析

本文采用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)電機(jī)定子進(jìn)行了三維數(shù)值計(jì)算，得到了電機(jī)定子溫度場(chǎng)。為了進(jìn)一步確定該方法得到的計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，將某研究所針對(duì)原始結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速為3 120 r/min時(shí)，采用Flowmaster軟件計(jì)算得到的結(jié)果與采用本文的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表3。

表3 Fluent與Flowmaster計(jì)算的定子平均溫度比較Table 3 Comparison of stator mean temperature simulated by software Fluent and Flowmaster (℃)

Flowmaster軟件采用一維熱網(wǎng)絡(luò)法，計(jì)算得到定子線圈、鐵心齒部、鐵心軛部的平均溫度。由表3可看出，鐵心齒部平均溫度相差0.9℃，線圈及鐵心軛部平均溫度相差分別為12.7℃和11.3℃，兩種方法的計(jì)算結(jié)果均顯示定子各部件溫度未超過絕緣耐熱的極限溫度。但是，本文流固熱流耦合數(shù)值模擬方法得到的是三維速度和溫度分布，能夠給出定子端部線圈峰值位置，明確指出存在超溫的部位，需要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，為設(shè)計(jì)提供更加準(zhǔn)確、直觀的數(shù)據(jù)參考，這正是三維數(shù)值模擬計(jì)算的優(yōu)勢(shì)。而按照Flowmaster軟件計(jì)算結(jié)果，定子平均溫度不超溫，可安全運(yùn)行。目前，由于某些原因，無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可對(duì)比，但電機(jī)已安全運(yùn)行。

4 結(jié)論

本文建立了一臺(tái)同步電機(jī)定子包括端部繞組等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的定子三維實(shí)體模型，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，計(jì)算定子溫度場(chǎng)。通過減少端部繞組的綁扎和墊塊，進(jìn)一步計(jì)算得到改進(jìn)結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)并與原始結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，得出以下結(jié)論:原始結(jié)構(gòu)中端部繞組最高溫度超過了相應(yīng)絕緣等級(jí)耐熱的極限溫度，通過適當(dāng)?shù)販p少端部上層繞組的綁扎和墊塊，能夠有效地降低端部繞組溫度，繞組不再超溫;鐵心段溫度沿軸向分布不均，電機(jī)中心部位鐵心段溫度最高;通過與FLOWMASTER軟件計(jì)算得到的結(jié)果對(duì)比，表明三維數(shù)值計(jì)算結(jié)果更加直觀、可信，可以反映最高溫度位置。

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