張亮，尹居宸

(1佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002；

2中國石油吉林石化公司乙二醇廠，吉林吉林132021)

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高壓三相感應(yīng)電機(jī)流體流動與傳熱分析

張亮1，尹居宸2

(1佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002；

2中國石油吉林石化公司乙二醇廠，吉林吉林132021)

摘要以一臺YJKK5006-4、6kV、2500kW緊湊型高壓感應(yīng)電動機(jī)為樣機(jī)，采用場路結(jié)合的方法，依據(jù)CFD(計(jì)算流體力學(xué))和熱力學(xué)理論，按照電機(jī)結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸建模計(jì)算。由于整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以考慮電機(jī)通風(fēng)冷卻的過程和特點(diǎn)，對電機(jī)進(jìn)行局部處理。根據(jù)動態(tài)方程理論對電機(jī)額定狀態(tài)下運(yùn)行狀態(tài)的損耗進(jìn)行計(jì)算分析，并將結(jié)果作為已知參考量加載入仿真分析中，綜合分析電機(jī)內(nèi)的流體流動和傳熱。既降低了計(jì)算仿真的難度也提高了模擬的準(zhǔn)確度。

關(guān)鍵詞感應(yīng)電動機(jī)；流體場；溫度場

0引言

電機(jī)的運(yùn)行可靠性的評判標(biāo)準(zhǔn)中，電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行中的溫升問題尤為重要，即電機(jī)本體內(nèi)部各模塊的溫度場分布情況。一旦電機(jī)內(nèi)溫升長時(shí)間超過限額，就會出現(xiàn)絕緣部分出現(xiàn)分層、脫殼和老化等問題，進(jìn)而使絕緣面的絕緣性能下降引起絕緣損壞，引發(fā)電機(jī)內(nèi)部的短路故障，大大降低了性能，最終損毀電機(jī)。這些問題是電機(jī)領(lǐng)域內(nèi)不允許出現(xiàn)的。所以，準(zhǔn)確地描述模擬分析電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通過數(shù)字化方式來指導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)具有重要的意義。

電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會產(chǎn)生損耗，而損耗都會轉(zhuǎn)化為熱量不斷地向周圍介質(zhì)傳遞導(dǎo)致電機(jī)內(nèi)部溫度的升高。所以準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)內(nèi)的損耗是分析溫升的重要前提。在電機(jī)起動的瞬態(tài)條件下，電機(jī)內(nèi)損耗積累量很大而電機(jī)轉(zhuǎn)速又相對較低，導(dǎo)致了此時(shí)電機(jī)內(nèi)的溫升很高，容易產(chǎn)生絕緣老化等安全故障。因此準(zhǔn)確的分析電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行過程中，損耗的變化是非常重要的。對于緊湊型高壓電機(jī)測取電機(jī)的溫升時(shí)，若采用試驗(yàn)的方法會很難實(shí)現(xiàn)。在電機(jī)運(yùn)行實(shí)際過程中隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的變化轉(zhuǎn)子中的漏磁通會增大，損耗也會上升，這會影響局部溫升。為了緩解這個(gè)問題，技術(shù)人員在高壓感應(yīng)電機(jī)中設(shè)置了徑向通風(fēng)溝來協(xié)助換流散熱，本文采用建立三維模型離散求解的方法來解決溫度場數(shù)值計(jì)算的問題。

電機(jī)內(nèi)部各部分的溫度分布不僅僅要考慮電機(jī)的參數(shù)和結(jié)構(gòu)，還要考慮實(shí)際運(yùn)行中的各種工況，與設(shè)計(jì)理論相結(jié)合通過仿真分析，模擬電機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)的狀況。在準(zhǔn)確描述電機(jī)內(nèi)的實(shí)際情況后指導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)，這樣可以大大節(jié)約設(shè)計(jì)成本，還可以減少樣機(jī)的制造周期，對電機(jī)設(shè)計(jì)具有重要的意義。

1電機(jī)內(nèi)流體的特性

根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作環(huán)境的不同，不同電機(jī)使用的通風(fēng)(流體)結(jié)構(gòu)和冷卻方式不同，高壓感應(yīng)電機(jī)一般采用空氣、水、氫氣等作為冷卻介質(zhì)進(jìn)行冷卻。冷卻介質(zhì)的的特性及其流動方式界定了整個(gè)電機(jī)的冷卻效果。所以，對電機(jī)內(nèi)冷卻介質(zhì)的種類和性質(zhì)的研究是對電機(jī)內(nèi)流體流動研究的首要條件。電機(jī)內(nèi)流體的特性主要包含以下幾個(gè)方面。

(1) 流體的粘性：指流體質(zhì)點(diǎn)間可流層因相對運(yùn)動而產(chǎn)生摩擦力而反抗相對運(yùn)動的性質(zhì)，實(shí)際流體都是具有粘性的；

(2) 流體的壓縮性：指流體質(zhì)點(diǎn)在一定壓力差或溫度差的條件下，其體積或密度可以改變的性質(zhì)；

(3) 層流與湍流：層流指流體質(zhì)點(diǎn)的軌跡隨時(shí)間t改變的有規(guī)則的光滑曲線的流動；與之相反的流體流動稱為湍流；

(4) 定常流動和非定常流動：流體流動時(shí)，流體中任何一點(diǎn)的壓力，速度和密度等物理量都不隨時(shí)間變化，則稱為定常流動；反之，只要壓力，速度和密度中任意一個(gè)物理量隨時(shí)間變化，流體就是作非定常流動。電機(jī)中的流體一般認(rèn)為是不可壓縮的，非定常流動。

2流體流動的控制方程

(1) 質(zhì)量守恒方程：在單位時(shí)間內(nèi)流體微單元中質(zhì)量的增加等同于在同一時(shí)間間隔內(nèi)流體中該微單元的凈質(zhì)量，可以表示為質(zhì)量守恒方程式

(1)

式中，ρ—密度；t—時(shí)間；u、v、w—x、y、z方向的速度分量。

(2) 動量守恒方程：作用在控制體上外力的合力與單位時(shí)間內(nèi)，通過控制面流入控制體的動量之和等于單位時(shí)間內(nèi)控制體中流體動量的增量，可以表示為動量守恒方程式

(2)

(3)

(4)

式中，μ—?jiǎng)恿φ扯?；Su、Sv、Sw—守恒方程的廣義源。

(3) 能量守恒方程：單位時(shí)間內(nèi)由外界基于控制體的熱量，通過控制面流入流體的能量之和等于單位時(shí)間內(nèi)控制體中流體能量的增加，可以表示為能量守恒方程

(5)

式中，Cp—比熱容；T—溫度；k—流體的傳熱系數(shù)；Sτ—流體的內(nèi)熱源及由于粘性的作用流體的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分。

(4) 守恒方程在CFD數(shù)值計(jì)算中的應(yīng)用

以上三個(gè)方程式計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算流體的基本方程，也是感應(yīng)異步電機(jī)的CFD數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)。本文利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，將以上幾個(gè)連續(xù)的可微方程進(jìn)行離散求解。在軟件中設(shè)置合適的初始和邊界條件，利用這些方程進(jìn)行離散的迭代計(jì)算，得到收斂近似解。

3電機(jī)內(nèi)熱傳導(dǎo)基本理論

電機(jī)的鐵心、定子繞組和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條等既是發(fā)熱體也是導(dǎo)熱體。電機(jī)內(nèi)的其他部分，如：絕緣、槽楔和氣隙等作為傳熱體與它們共同構(gòu)成了電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的發(fā)熱、散熱結(jié)構(gòu)。

電機(jī)內(nèi)的熱傳遞主要有兩種：鐵心與定子繞組、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條間的熱傳遞為熱傳導(dǎo)；通風(fēng)道、氣隙與定轉(zhuǎn)子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條間的熱傳遞為對流換熱。這兩種熱傳遞形式完成了電機(jī)內(nèi)主要的散熱工作。而熱傳遞的另一種形式輻射換熱帶走的熱量所占比例非常之小，必要時(shí)可以忽略不計(jì)。式(6)為熱傳導(dǎo)的基本定律—傅立葉定律：通過物體內(nèi)部任意位置出的導(dǎo)熱熱流密度與該點(diǎn)上的溫度梯度成正比。

(6)

式中，φ—熱流量；λ—熱傳導(dǎo)率；A—任意一點(diǎn)的的微元面積；T—任一點(diǎn)的溫度。對單位傳熱面積則為

(7)

在電機(jī)模型中，將熱流密度根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)系分解可得

(8)

根據(jù)上述兩式可以看到，電機(jī)內(nèi)部熱傳遞的主要決定因素就是各導(dǎo)熱體的熱傳導(dǎo)率λ，熱傳導(dǎo)接觸面積A以及溫差T。本文中將電機(jī)模型內(nèi)部劃分為單位網(wǎng)格，當(dāng)網(wǎng)格夠密集時(shí)可以認(rèn)為是電機(jī)內(nèi)部的許多節(jié)點(diǎn)，這些單位體積的溫度可以近似看作節(jié)點(diǎn)的溫度。在使用Fluent軟件做溫度分析時(shí)可以充分利用這一理論基礎(chǔ)完成對電機(jī)內(nèi)部溫度的精確計(jì)算。

4高壓感應(yīng)電機(jī)的模型建立

如果整體建模計(jì)算，將會極大提高計(jì)算的數(shù)據(jù)量和復(fù)雜程度，所以現(xiàn)對電機(jī)模型進(jìn)行簡化。電機(jī)的基本參數(shù)及尺寸見表1。

表1　電機(jī)基本參數(shù)及尺寸

根據(jù)電機(jī)主要尺寸和基本參數(shù)決定，由于電機(jī)沿軸對稱，所以取周向1/12大小，軸向第一條通風(fēng)道及兩側(cè)定子鐵心一半大小建立模型。其中包含定子槽5個(gè)及轉(zhuǎn)子槽6個(gè)，軸及支架進(jìn)行化簡歸算后加入模型。

根據(jù)上文所述，打開Gambit軟件建立電機(jī)模型，由于本文考慮電機(jī)內(nèi)流體流動對電機(jī)溫升的影響，所以定子背部通風(fēng)道以及轉(zhuǎn)子底部與軸相接的通風(fēng)道需要建立對應(yīng)的空氣流域體積；由于只考慮流體區(qū)域，所以鐵心間的通風(fēng)道的擋板和圓柱都可以去除。建立的模型如圖1所示。

圖1電機(jī)簡化模型

5高壓感應(yīng)電機(jī)模型的網(wǎng)格剖分

根據(jù)有限差分法的基本原理，需要對所建立模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格的質(zhì)量直接決定了求解結(jié)果的準(zhǔn)確性和精度。在劃分網(wǎng)格之前，使用Connect選項(xiàng)選取所有面進(jìn)行連接設(shè)置，這樣對于兩個(gè)相連體在每一個(gè)為止的重合面就會變成一個(gè)面，防止劃分網(wǎng)格時(shí)由于建模是的誤差導(dǎo)致體、面之間的不相連而無法劃分網(wǎng)格的情況。Gambit中的網(wǎng)格形式可以大體上歸納為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。由于采取了簡化的電機(jī)模型，在定轉(zhuǎn)子鐵心周向兩側(cè)的面屬于周期對稱面，需要使用Link命令將他們一一對應(yīng)連接起來使用相同的網(wǎng)格劃分形式。對于繞組，導(dǎo)條，絕緣，槽楔等體積較小的部分以及發(fā)熱源都需要使用相對小一些的網(wǎng)格單位大小，以提高計(jì)算精確度。剖分網(wǎng)格后模型如圖2所示，全模型共計(jì)剖分節(jié)點(diǎn)51.545萬個(gè)，網(wǎng)格265萬個(gè)，面545.573萬個(gè)。

這里需要注意的是在網(wǎng)格劃分完成后，應(yīng)該使用Check命令對網(wǎng)格的質(zhì)量進(jìn)行檢查，軟件中會提示該單位體(或面)的剖分網(wǎng)格中存在的失真的(equisize skew>0.97)網(wǎng)格數(shù)量，說明網(wǎng)格質(zhì)量不夠好。這將會影響后續(xù)數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性和正確性，還可能會導(dǎo)致解算結(jié)果不收斂等情況，需要重新選擇網(wǎng)格類型重新剖分。

圖2電機(jī)模型網(wǎng)格劃分

6高壓感應(yīng)電機(jī)的模型的邊界條件

Gambit中邊界條件分為區(qū)域類型和邊界條件

(1)區(qū)域類型：區(qū)域類型指模型中對應(yīng)體的材料屬性，即體為固體solid還是流體fluid。本文的區(qū)域類型大致劃分如表2所示。

表2　區(qū)域類型

(2)邊界類型：邊界類型指模型中對應(yīng)面的類型，如：質(zhì)量入口，出口，周期性邊界，內(nèi)部結(jié)構(gòu)面及對稱面等。本文邊界劃分三維圖見圖3。

圖3模型邊界劃分三維圖

由于有轉(zhuǎn)子支架的存在，所以模型轉(zhuǎn)子底部軸向通風(fēng)道入口分為兩個(gè)，而定子背部軸向入口一個(gè)，都采用速度質(zhì)量入口設(shè)置，出口為定子背部軸向出口。模型周向兩側(cè)的面為周期面，即在網(wǎng)格劃分時(shí)相連接的一組面，將他們?nèi)窟x擇作為periodic分組，設(shè)置為周期面(PERIODIC)。由于本模型沒有建立導(dǎo)條與轉(zhuǎn)子鐵心間的絕緣，所以將所有導(dǎo)條與鐵心接觸的面選擇后作為barironmian分組，設(shè)置為壁面(WALL)，在之后的Fluent中再設(shè)置導(dǎo)熱系數(shù)作為絕緣層。其他面可以不作設(shè)置，軟件默認(rèn)為WALL類型。這里的邊界類型大致劃分如表3所示。

表3　邊界類型

7數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到電機(jī)溫度分布云圖如圖4所示，根據(jù)云圖顯示可以看出電機(jī)以額定狀態(tài)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)溫升最高處出現(xiàn)在定子繞組及轉(zhuǎn)子導(dǎo)條中，通過絕緣層向鐵心進(jìn)行傳熱，由于定子與通風(fēng)道接觸面較大，所以可以看到定子鐵心中的傳熱相對于轉(zhuǎn)子更加均勻。

圖4電機(jī)溫度分布云圖

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到電機(jī)流速分布云圖如圖5所示，可以觀察到由于離心力的作用，轉(zhuǎn)子底部通風(fēng)道空氣經(jīng)過通風(fēng)道進(jìn)入定子背部通風(fēng)道，經(jīng)出口離開。通風(fēng)道內(nèi)的空氣流速會因?yàn)閷?dǎo)條，繞組等的影響分布不穩(wěn)定，并在通風(fēng)道氣隙處由于通風(fēng)路徑的變窄出現(xiàn)最大速度。

圖5電機(jī)流速分布云圖

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到電機(jī)通風(fēng)道截面的溫度分布云圖如圖6所示，可以看到雖然定子繞組與導(dǎo)條溫升很高，但是通風(fēng)道內(nèi)空氣的溫升并不高，所以可以認(rèn)為其通過絕緣向通風(fēng)道內(nèi)空氣散熱的過程緩慢。由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，通風(fēng)道內(nèi)氣體的流動路徑發(fā)生改變，這影響了導(dǎo)條在通風(fēng)道內(nèi)部分的散熱，也是的轉(zhuǎn)子導(dǎo)條兩側(cè)溫升的差異；這也同樣使得鐵心的溫升不均勻。

圖6電機(jī)通風(fēng)道截面溫度云圖

根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果得到電機(jī)通風(fēng)道截面的速度矢量云圖如圖7所示，可以觀察到通風(fēng)道內(nèi)氣體流動方式極其復(fù)雜。在定子繞組與轉(zhuǎn)子導(dǎo)條部分的空氣流速會應(yīng)為它們的阻礙加速聚集在兩側(cè)，通過后又會在末端出現(xiàn)局部的渦流；而且由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的影響，轉(zhuǎn)子部分空氣速度出現(xiàn)周向偏移，接近于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速。

圖7電機(jī)通風(fēng)道截面速度矢量云圖

結(jié)合圖6和圖7可以看出，在繞組與導(dǎo)條兩側(cè)的空氣流速的不同導(dǎo)致了溫升的明顯差異，流速較快的一邊溫度低，這是因?yàn)榱魉倏?，帶走的熱量相對較多。

8結(jié)語

本文應(yīng)用Gambit軟件在給出電機(jī)基本參數(shù)的基礎(chǔ)上建立了簡化的電機(jī)模型，給出簡單的區(qū)域及邊界條件設(shè)置，并進(jìn)行網(wǎng)格剖分以完成后續(xù)計(jì)算。根據(jù)流體和溫度耦合場的方法計(jì)算出了電機(jī)模型各部分的溫度場和流體場，并在徑向通風(fēng)道內(nèi)設(shè)置截面觀察了該截面的溫度和速度分布情況。最后根據(jù)分布云圖分析了電機(jī)內(nèi)流體流動與傳熱。通過以上分析可知，采用本文使用的溫度流體耦合場的數(shù)值計(jì)算方法會極大的提高計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算的準(zhǔn)確性，如果結(jié)合電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對電機(jī)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力的依據(jù)。

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Fluid Flow and Heat Transfer Analysis of High-Voltage Three-Phase Induction Motor

ZhangLiangandYinJuchen

(1.Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002,China；2.PetroChina Jilin Petrochemical Ethylene Glycol Plant, Jilin 132021, China)

AbstractBased on CFD (computational fluid dynamics) and thermodynamics theories, taking a YJKK5006-4 2500kW compact high-voltage induction motor with rated voltage 6kV as a prototype, this paper describes the modeling calculation of motor using field-circuit method according to actual size. Because of complicated overall structure, the motor was locally processed based on considering processes and characteristics of ventilation and cooling. The losses of motor at rated operating state were calculated and analyzed according to dynamic equation theory, the obtained result was loaded into simulation analysis as a known reference value, and the fluid flow and heat transfer inside the motor were comprehensively analyzed. It can not only reduce difficulty of simulation calculation but also improve accuracy of the simulation.

Key wordsInduction motor；fluid field；temperature field

收稿日期：2015-08-26

作者簡介：張亮1979年生；畢業(yè)于哈爾濱理工大學(xué)機(jī)電技術(shù)及自動化專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)技術(shù)管理工作.

中圖分類號：TM346

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-7281(2016)02-0017-006

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.06