蘇詩(shī)湖,鄭國(guó)麗,豐帆,周巍

(中車(chē)株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲412000)

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電機(jī)冷卻多物理場(chǎng)耦合計(jì)算及模板開(kāi)發(fā)

蘇詩(shī)湖,鄭國(guó)麗,豐帆,周巍

(中車(chē)株洲電機(jī)有限公司，湖南株洲412000)

以電機(jī)溫升計(jì)算的重要性為出發(fā)點(diǎn)，介紹了電機(jī)冷卻設(shè)計(jì)的計(jì)算內(nèi)容和熱交換的分析方法，并對(duì)等效熱路法和CFD方法進(jìn)行了比較；并以某發(fā)電機(jī)為例，介紹了電機(jī)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合分析并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；概述了模板定制開(kāi)發(fā)的作用。所提出的理論和分析方法對(duì)電機(jī)冷卻設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

電機(jī)冷卻；數(shù)值仿真；多物理場(chǎng)；模板開(kāi)發(fā)

0 引言

電機(jī)溫升是電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵項(xiàng)目之一，正確分析和計(jì)算電機(jī)各部件的溫升，掌握電機(jī)內(nèi)的溫度分布，不僅可以保證在設(shè)計(jì)階段及時(shí)優(yōu)化電機(jī)設(shè)計(jì)方案，并且可為電機(jī)的安全、高效運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。本文介紹了電機(jī)內(nèi)熱交換的分析方法，并針對(duì)熱路法和CFD分析方法進(jìn)行了對(duì)比分析。近年來(lái)計(jì)算機(jī)模擬分析已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外技術(shù)創(chuàng)新的重要手段，其中CFD分析方法已經(jīng)貫穿于電機(jī)產(chǎn)品研發(fā)的全過(guò)程，不僅應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程的前端為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供強(qiáng)力支撐，同時(shí)也應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的后期驗(yàn)證，提升了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，為企業(yè)帶來(lái)了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

電機(jī)是一個(gè)集電氣、機(jī)械、動(dòng)力學(xué)、傳熱等眾多學(xué)科于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，各學(xué)科之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響。在電機(jī)產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)階段，電機(jī)磁路計(jì)算、性能計(jì)算、通風(fēng)散熱計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)分析等都有專(zhuān)門(mén)的仿真軟件進(jìn)行分析計(jì)算，各學(xué)科獨(dú)立計(jì)算，忽略相互之間的影響因素可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳遞中出現(xiàn)誤差，或計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況出現(xiàn)偏差。因此電機(jī)多物理場(chǎng)的耦合計(jì)算逐漸被引入和推廣，如：電機(jī)電磁-通風(fēng)散熱耦合分析，電機(jī)熱-結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形分析，電機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)-噪聲分析，電機(jī)氣動(dòng)-噪聲分析等。本文著重介紹電機(jī)電磁與通風(fēng)散熱的耦合分析，并舉例說(shuō)明耦合計(jì)算過(guò)程及其結(jié)果驗(yàn)證。除此之外，本文還對(duì)電磁與通風(fēng)散熱耦合分析的模板開(kāi)發(fā)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。多物理場(chǎng)耦合分析和模板開(kāi)發(fā)對(duì)拓展各專(zhuān)業(yè)學(xué)科應(yīng)用的廣度和工程應(yīng)用的深度都有重要作用。

1 電機(jī)內(nèi)熱交換分析方法

電機(jī)運(yùn)行時(shí)要產(chǎn)生各種損耗，這些損耗都轉(zhuǎn)變成熱能使電機(jī)各部分的溫度升高。對(duì)電機(jī)繞組而言，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫升限值基本取決于其絕緣系統(tǒng)所允許的最高溫度和冷卻介質(zhì)的溫度。電機(jī)繞組絕緣系統(tǒng)所采用的材料，其機(jī)械、電氣、物理等性能隨溫度的升高逐漸變壞，當(dāng)溫度升高到一定程度時(shí)，絕緣系統(tǒng)就失去絕緣能力導(dǎo)致電機(jī)燒損或燒毀，因此保證合理的電機(jī)溫升是電機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中關(guān)鍵的一部分。隨著電機(jī)向大容量、小型化、低成本、高效能發(fā)展，改進(jìn)電機(jī)冷卻系統(tǒng)，降低電機(jī)溫升變的尤為重要。

電機(jī)溫升計(jì)算主要包括幾個(gè)部分

(1)計(jì)算電機(jī)所需冷卻介質(zhì)總的體積流量

(2)計(jì)算冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流阻和風(fēng)阻，為了保證循環(huán)風(fēng)量，采用的風(fēng)扇需提供足夠的壓頭，同時(shí)要保證風(fēng)扇與冷卻系統(tǒng)的匹配性，避免運(yùn)行時(shí)機(jī)械損耗過(guò)大導(dǎo)致電機(jī)效率降低；

(3)電機(jī)熱交換裝置(包括冷卻器、冷卻水道等)的設(shè)計(jì)；

(4)風(fēng)量分配和傳熱計(jì)算，使電機(jī)各發(fā)熱部件具有合適的溫升。

目前電機(jī)最常用的兩種熱分析方法分別為等效熱路法和CFD分析方法。等效熱路法是利用傳熱學(xué)和電路理論的相似性把溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化為帶有集中參數(shù)的熱路來(lái)進(jìn)行計(jì)算，把分布的真實(shí)熱源和熱阻用集中的熱源和熱阻代替，形成等效熱路，該方法計(jì)算量相對(duì)較小，但是只能近似估算熱阻的平均溫升。等效熱網(wǎng)絡(luò)法是把熱路法的參數(shù)和熱源進(jìn)行局部分布參數(shù)化，應(yīng)用圖論原理，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱場(chǎng)分析的一種方法。

CFD分析方法[4,5]是將電機(jī)內(nèi)連續(xù)的物理量場(chǎng)，如速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)，用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合來(lái)代替，通過(guò)一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。CFD方法也可看做是在流動(dòng)基本方程如質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程、能量守恒方程的控制下對(duì)流動(dòng)的數(shù)值模擬。通過(guò)這種數(shù)值模擬，可以得到電機(jī)流場(chǎng)內(nèi)各個(gè)位置的基本物理量如速度、壓力、溫度等分布，并據(jù)此算出相關(guān)物理量從而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

采用等效熱路法計(jì)算電機(jī)的溫升，必須知道電機(jī)各部件表面對(duì)流換熱系數(shù)，而影響換熱系數(shù)的因素很多，不容易精確計(jì)算，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)，換熱系數(shù)經(jīng)常按經(jīng)驗(yàn)公式獲得，使計(jì)算結(jié)果存在較大誤差。此外對(duì)于通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜的電機(jī)，電機(jī)定轉(zhuǎn)子有多個(gè)通風(fēng)道，既有內(nèi)外風(fēng)扇又有冷卻器的情況，準(zhǔn)確的分析等效熱路并計(jì)算電機(jī)內(nèi)熱傳遞具有很大的難度?；谟?jì)算流體動(dòng)力學(xué)原理，對(duì)電機(jī)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬相比于熱路法具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)流體與固體共軛換熱，無(wú)需計(jì)算散熱系數(shù)，減少了計(jì)算誤差；(2)冷卻介質(zhì)的流量分配，壓力分布、風(fēng)道阻力以及流線、流速、矢量方向均可顯示和輸出，用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；(3)能夠獲得電機(jī)各部件的溫度分布情況和某一點(diǎn)的具體溫升，并據(jù)此降低最高溫度、改善溫度分布均勻性。

2 電機(jī)電磁場(chǎng)和通風(fēng)散熱耦合分析

電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合，主要體現(xiàn)在電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算中熱源的施加方式上。電機(jī)的熱源(損耗)主要來(lái)自于電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中磁場(chǎng)的作用，一般情況下，熱源的損耗分布并不是完全均勻的，而是根據(jù)幾何位置的變化而變化，并且雜散損耗的具體分布位置很難給定，往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算。為了能更好地模擬真實(shí)的損耗分布，將電磁的損耗計(jì)算結(jié)果直接施加在溫度場(chǎng)計(jì)算的熱源上，通過(guò)兩者的耦合來(lái)保證電機(jī)溫度場(chǎng)的計(jì)算盡可能地接近真實(shí)情況。本文以某風(fēng)力發(fā)電機(jī)為例，介紹耦合方法，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比分析，電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機(jī)三維結(jié)構(gòu)圖

考慮電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和通風(fēng)系統(tǒng)既不存在對(duì)稱(chēng)性也不存在周期性，因此溫度場(chǎng)計(jì)算模型為電機(jī)整機(jī)的三維模型，而電機(jī)電磁場(chǎng)計(jì)算模型為二維模型，電磁場(chǎng)損耗分布如圖2所示。

圖2 電磁場(chǎng)損耗計(jì)算

盡管兩個(gè)模型幾何維度不同，但是電機(jī)發(fā)熱部件包括定轉(zhuǎn)子鐵心、導(dǎo)條以及繞組直段部分軸向結(jié)構(gòu)完全相同，可認(rèn)為是二維模型拉伸而成，因此只需要把二維的熱源耦合數(shù)據(jù)沿軸向擴(kuò)展到三維結(jié)構(gòu)就可以實(shí)現(xiàn)耦合，而定子繞組端部和轉(zhuǎn)子端環(huán)的熱源值是均布的，計(jì)算時(shí)可直接在相應(yīng)的計(jì)算域內(nèi)施加熱流密度。耦合的基本思路分以下幾步：(1)導(dǎo)出溫度場(chǎng)計(jì)算模型中熱源的幾何坐標(biāo)；(2) 在Maxwell電磁計(jì)算模型中導(dǎo)入上述坐標(biāo)，插值計(jì)算出對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的損耗值；(3)將損耗值導(dǎo)回溫度場(chǎng)計(jì)算模型中，并通過(guò)自定義函數(shù)施加在對(duì)應(yīng)坐標(biāo)上。經(jīng)計(jì)算通過(guò)耦合方法輸入的熱源值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差小于10%，在工程允許范圍內(nèi)，并且將溫度的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行比對(duì)，對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比

結(jié)果表明，計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差均在工程允許范圍內(nèi)，證明計(jì)算方法可行。通過(guò)耦合方法計(jì)算得到的電機(jī)溫度分布如圖3、圖4所示。

圖3Y-Zplane的溫度云圖

圖4X-Zplane的溫度云圖

3 模板開(kāi)發(fā)應(yīng)用

電機(jī)通風(fēng)散熱仿真分析模板開(kāi)發(fā)是基于Fluent軟件原有功能，利用二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言-scheme語(yǔ)言將特定分析過(guò)程的方法步驟、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)歸納封裝后定制開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)分析向?qū)Щぞ撸鐖D5所示。通過(guò)模板后臺(tái)的參數(shù)設(shè)定和操作提高了仿真分析的效率和能力，實(shí)現(xiàn)資源利用的最優(yōu)化，提高資源利用效率和計(jì)算效率。

圖5 模板向?qū)疽鈭D

電機(jī)通風(fēng)散熱仿真模板是根據(jù)電機(jī)通風(fēng)散熱仿真分析流程定制的向?qū)Щぞ?。若?duì)電機(jī)整機(jī)進(jìn)行仿真計(jì)算，由于電機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件多，電機(jī)整體的三維建模和網(wǎng)格剖分難度大，通常在前期處理過(guò)程中將電機(jī)分成很多的區(qū)域，將區(qū)域和邊界命名規(guī)范化，使系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別各個(gè)區(qū)域和邊界，通過(guò)向?qū)У男问揭龑?dǎo)用戶快速完成模型的批量導(dǎo)入、交界面自動(dòng)區(qū)分并且自動(dòng)設(shè)置、材料的自定義施加、動(dòng)域的選擇設(shè)置、對(duì)流壁面和傳導(dǎo)壁面的設(shè)置、均值熱源工況的設(shè)置、耦合熱源工況文件的生成及設(shè)置、求解和后處理以及生成仿真報(bào)告功能，實(shí)現(xiàn)高效的仿真分析。電機(jī)通風(fēng)散熱仿真模板為仿真人員提供更為方便、具體的專(zhuān)用分析導(dǎo)航，可以更加符合用戶的需求，滿足特定行業(yè)的特定需要。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)電機(jī)內(nèi)熱交換的分析方法對(duì)比可知，相比于熱路法，數(shù)值仿真方法能夠輸出電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)的各個(gè)物理量，獲得電機(jī)各部件的溫度分布情況和某一點(diǎn)的具體溫升，通過(guò)分析顯示和輸出的計(jì)算結(jié)果可以對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)電機(jī)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的耦合分析，能夠更好的模擬真實(shí)的損耗分布，減少計(jì)算結(jié)果誤差。通過(guò)計(jì)算值與試驗(yàn)值的驗(yàn)證，證明了計(jì)算方法的可行性。

(3)基于特定行業(yè)的仿真分析流程定制模板，可以滿足用戶的需求，并且提高了資源利用效率和計(jì)算效率，實(shí)現(xiàn)了資源利用的最優(yōu)化。

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Coupling Calculation and Template Development for Multi-Physical Field of Motor Cooling

SuShihu,ZhengGuoli,FengFan,andZhouWei

(CRRC Zhuzhou Electric Machine Co ., Ltd ., Zhuzhou 412000, China)

Starting from the importance of temperature-rise calculation of motor, this paper introduces the calculation content of cooling design and the analytic method of heat exchange, and compares equivalent thermal circuit method with CFD method. And then taking a generator as an example, this paper introduces the coupling analyses of electromagnetic field and temperament field of the generator and conducts experimental verification. Finally, this paper summarizes the function of custom-developed template. The above theory and analysis method have a certain reference value for cooling design of motor.

Motor cooling；numerical simulation；multi-physical field；template development

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.07

TM301.4+

蘇詩(shī)湖 男 1983年生；畢業(yè)于武漢輕工業(yè)大學(xué)，華中科技大學(xué)電機(jī)與電器專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生，現(xiàn)從事高效節(jié)能電機(jī)研發(fā)工作.

2016-05-05