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(南車株洲電機有限公司, 湖南株洲 412001)

0 引言

對于電機而言，電機內的流體流動對于電機的散熱有著重要的作用。電機的溫升以及內部發(fā)熱情況的分析很大程度上取決于冷卻介質的溫度和流動情況，因此將電機內流體與固體耦合起來進行計算分析是非常必要的。目前，大多數文獻[1～ 3]都是取電機的局部模型進行分析計算，利用經驗公式計算散熱系數進行邊界條件的加載，對于電機整體建模計算求解的文獻很少。

本文采用有限體積法，建立了一臺水冷電動輪變頻調速異步牽引電機的整機三維模型，采用流體場與溫度場耦合計算的方法，計算了電機的整機溫度場分布，模擬了水套內冷卻水的流動情況和溫度分布。避免了計算局部模型需要利用經驗公式加載散熱系數和邊界條件[4]施加不精確所帶來的誤差。

1 三維溫度場模型

在電機的原始模型基礎上，進行適當的簡化。忽略模型中次要的部分，如對傳熱影響不大的部件和局部細節(jié)特征。如電機外部的吊耳，地腳等構件對傳熱的影響較小，可忽略不建。對于電機內部的建模，保留和傳熱相關的固體區(qū)域，出于提高計算效率的考慮，做適當簡化，局部的細節(jié)特征如半徑很小的倒角和高度很小的臺階等都予以簡化。不同材料的固體要單獨成體。

本文計算的異步牽引電機的主要構件包括三大部分：機座、轉子和定子。機座由內、外水套以及筋板形成一個水路外循環(huán)；動域轉子、定子與機座內水套形成空氣內循環(huán)。轉子部分忽略轉子導條的加工，將其簡化為一個長方體，將轉子端環(huán)簡化為一個圓環(huán)，使得導條增加的體積與端環(huán)減小的體積相差不多。定子部分將定子槽內的槽底墊條、槽絕緣、層間墊條、楔下墊條、槽楔都作為絕緣材料畫成一體，對于這些部分，實際計算更關心的是它們對熱量傳遞的阻隔，并不關心它們內部的溫度分布，因此等效為絕緣材料。簡化后的計算模型如圖1所示。

圖1 電機計算區(qū)域模型

2 基本假設及邊界條件

在簡化后的模型基礎上生成流體域，并根據模型對流體域進行分塊，如動、靜域的劃分。對不同塊分別進行劃分網格，劃分完局部網格后進行網格合并，并生成交界面。將合并后的網格導入到CFD軟件中，選擇適當的流體模型，打開能量方程。選擇動參考系模型，設置不同域的運動屬性，對不同部件的材料屬性進行設置，硅鋼片的導熱屬性需要考慮各項異性。設置邊界條件后求解計算，得到電機的流場和溫度場分布。

2.1 計算基本假設

計算區(qū)域基本假設

(1) 轉子鐵心中磁場交變頻率很低，所以忽略轉子鐵心的基本鐵損耗；

(2) 轉子鐵心中的附加損耗認為在轉子表面一極薄的體內；

(3) 定子繞組銅耗按照上層線棒與下層線棒損耗平均分布；

(4)定子鐵心齒部損耗和軛部損耗分別在定子齒部和軛部中平均分布。

2.2 邊界條件

(1)水路外循環(huán)入口為流量入口邊界條件，出口為壓力出口邊界條件，壓力為1個標準大氣壓，環(huán)境溫度為30°。

(2)機座表面為對流散熱邊界條件。

(3)轉子采用MRF模型，給定轉速。

(4)定子繞組、定子齒部、定子軛部、轉子導條以及轉子表面薄體為熱源。

3 溫度場的數值計算

3.1 數學描述

流體流動所遵循的物理定律，是建立流體運動基本方程組的依據。這些定律主要包括質量守恒、動量守恒、能量守恒、熱力學定律。流體流動的控制方程，可以寫成通用格式[5]

(1)

式中，φ—廣義變量，可以為速度、溫度或濃度等一些待求的物理量；?！鄳讦盏膹V義擴散系數；S—廣義源項。

有限體積法是在控制體積上積分控制方程，在控制體積節(jié)點上產生離散的方程。通過求解方程組，就可以得到各物理量在各節(jié)點處的值。

3.2 流體場計算結果

由于水套內冷卻水的雷諾數Re[4]很大(大于2 300)，屬于紊流流動，固采用標準的k-ε模型進行計算。通過計算可得出機座水套內冷卻水的流速和壓強損失，分別如圖2和圖3所示。

圖2 水套內冷卻水速度云圖

由圖2可以看出水套內冷卻水的流動速度，特點表現為流速很不均勻，沿前進方向上靠近隔水筋板位置流動較快，水套內冷卻水的平均速度逐漸升高。

圖3 水套內冷卻水壓強云圖

通過計算，機座水套入口處與出口的壓強差為13 462Pa。滿足客戶提出的小于0.3MPa的要求，并且有較大的余量。

3.3 溫度場計算結果

電機周向和軸向分別做一個截面，顯示出截面的溫度場分布，如圖4、圖5所示。

圖4 電機周向截面溫度云圖

圖5 電機軸向截面溫度云圖

可以看出電機轉子溫度較高，定子溫度相對較低，這是因為機座水套可以直接帶走定子產生的熱量，轉子的熱量需要通過氣隙傳給定子鐵心，再傳給機座；或者通過轉子兩端的空氣和轉軸傳熱到兩端的端蓋來散熱，空氣的熱阻很大，不利于轉子的散熱。圖6、圖7分別為定子導條和轉子溫度分布。

圖6 定子導條溫度云圖

圖7 轉子溫度云圖

定子溫升最大點為定子繞組端部處，溫升最大值為86K，從定子導條溫度云圖中可以看出，導條溫度分布為直線段中間部分溫度最低，往兩端端部位置溫度逐漸升高。這是因為直線段產生熱量可以通過定子鐵心直接傳導到機座水套內，冷卻效果較好。轉子溫升最大點為轉子端環(huán)處，溫升最大值為102K。

4 與試驗結果對比

在電機定子端部綁扎測溫元件，待電機溫升試驗溫度穩(wěn)定后，實測定子溫升為87K。與仿真計算結果86K相對誤差很小，誤差僅為1.15%，說明整機模型流體場與溫度場耦合計算的方法可靠。計算值比實測值略低，除了測量精度因素以外，沒有考慮端部繞組絕緣，如果將端部繞組絕緣考慮進去的話，溫升會有所增加。

5 結語

本文應用流體力學和傳熱學理論，通過對YP110-8、110KW變頻調速異步水冷電動機流體場和溫度場的計算，得到如下結論。

(1) 電機水套結構設計合理，水道入出口壓差能夠滿足用戶提出的小于0.3MPa要求，并且有較大的設計余量。

(2) 電機各部分溫升均在溫升限度以內，說明電機的電磁方案和結構方案設計合理。

(3) 采用整機模型對流體場和溫度場耦合算法更加貼近實際，可以避免計算局部模型需要利用經驗公式加載散熱系數和邊界條件施加不精確所帶來的誤差，能夠計算出電機內部整個流場的流動情況，計算出的溫度場也更加準確，可以為電機優(yōu)化冷卻結構提供理論依據，更有效的降低電機的溫升。

[1] 溫嘉斌,鄢鴻羽. 定子通風槽鋼對通風溝內流體流動形態(tài)的影響[J].電機與控制學報，2010,14(11):58-62.

[2] 溫嘉斌,王國輝.中型高壓異步電動機三維溫度場耦合計算與分析[J].電機與控制學報，2011,15(1):73-78.

[3] 霍菲陽,李勇,李偉力,等.大型空冷汽輪發(fā)電機定子通風結構優(yōu)化方案的計算與分析[J]. 中國電機工程學報，2010,30(6):69-75.

[4] 鮑里先科. 電機中的空氣動力學與熱傳遞[M].北京:機械工業(yè)出版社,1985:18-25.

[5] 江帆,黃鵬. FLUENT高級應用與實例分析[M].北京:清華大學出版社,2008:8-29.