王永青, 余中軍, 姜亞鵬, 高 強(qiáng)

(1. 海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430033;2. 海軍駐武漢712所軍事代表室，湖北 武漢 430070)

電機(jī)定子繞組端部建模方法對熱流場仿真結(jié)果影響分析*

王永青1, 余中軍1, 姜亞鵬1, 高 強(qiáng)2

(1. 海軍工程大學(xué) 艦船綜合電力技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢 430033;2. 海軍駐武漢712所軍事代表室，湖北 武漢 430070)

電機(jī)溫升是影響電機(jī)性能和運(yùn)行可靠性的主要元素之一，溫度校核已成為電機(jī)設(shè)計(jì)過程中的重要環(huán)節(jié)。目前大多采用電機(jī)三維溫度場仿真方法，但是因電機(jī)端部繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，熱流場耦合性強(qiáng)，對計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性影響較大。建立3種定子繞組端部建模簡化方式，使用Fluent仿真軟件平臺對某感應(yīng)電動(dòng)機(jī)熱流場進(jìn)行了仿真計(jì)算及分析。結(jié)果表明，建模時(shí)可以將定子端部繞組簡化為拉直向上彎折的二維結(jié)構(gòu)，這種簡化方式兼具建模時(shí)間短、仿真精度高等優(yōu)點(diǎn)。所得結(jié)論對快速進(jìn)行電機(jī)熱流場仿真、縮短電機(jī)設(shè)計(jì)周期有一定的參考作用。

感應(yīng)電動(dòng)機(jī)；溫度場；端部繞組；簡化模型

0 引 言

電機(jī)設(shè)計(jì)的基本規(guī)律說明，單機(jī)容量越大，其經(jīng)濟(jì)性能越好。電機(jī)功率越大，電機(jī)的發(fā)熱將愈發(fā)嚴(yán)重，溫升成為限制容量增長的主要障礙[1]。隨著電機(jī)容量、功率密度的不斷提高，冷卻系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)越來越受到人們的重視。

電機(jī)溫度場計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性是電機(jī)冷卻系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提。目前主要有兩種計(jì)算方法：等效熱網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)值計(jì)算法。等效熱網(wǎng)絡(luò)法用集中熱源和等值熱阻代替真實(shí)熱源和熱阻，模仿電路理論建立等效熱路法，其工作量小，計(jì)算速度快，但是只能得到電機(jī)某個(gè)部分的平均溫度，無法獲取最高溫度點(diǎn)。數(shù)值計(jì)算法依據(jù)熱交換定律，用微分方程將電機(jī)內(nèi)的熱交換現(xiàn)象表示出來，采用數(shù)值方法求解微分方程組。該方法可以考慮復(fù)雜的電機(jī)結(jié)構(gòu)，計(jì)算精度高，并且可以計(jì)算出電機(jī)中的溫度分布，找出局部過熱點(diǎn)，有利于合理布置冷卻系統(tǒng)和故障點(diǎn)的精確定位[2]。數(shù)值計(jì)算法主要分為幾何建模、網(wǎng)格剖分、求解器計(jì)算和后處理四個(gè)步驟。隨著計(jì)算機(jī)性能的提高，求解器計(jì)算時(shí)間已經(jīng)大大減少，但是進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格剖分仍需花費(fèi)大量時(shí)間，并且需要一定的經(jīng)驗(yàn)和技巧。電機(jī)設(shè)計(jì)初始階段，設(shè)計(jì)方案改動(dòng)較多，每次精確建模花費(fèi)大量時(shí)間和精力，影響電機(jī)的研制進(jìn)度，因此建模時(shí)需要對電機(jī)部分復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡化。端部繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜，按照實(shí)際繞組結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模比較困難，并且劃分網(wǎng)格數(shù)量比較大，影響電機(jī)設(shè)計(jì)效率。

本文以一臺大容量感應(yīng)電動(dòng)機(jī)為對象，建立此電機(jī)的三維計(jì)算模型。使用Fluent仿真軟件平臺計(jì)算其熱流場分布，分析端部繞組建模的不同簡化方式對電機(jī)熱流場的影響，為今后電機(jī)熱流場計(jì)算時(shí)模型的合理簡化提供依據(jù)。

1 建立模型

1.1冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心設(shè)有徑向通風(fēng)溝，采用兩邊對稱徑向通風(fēng)。冷卻空氣進(jìn)入電機(jī)后，氣流分為三路：一路經(jīng)定子端部繞組直接進(jìn)入定子鐵心背部；一路直接進(jìn)入氣隙；另一路經(jīng)定子端部繞組向下從轉(zhuǎn)子端環(huán)下進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架，經(jīng)過轉(zhuǎn)子鐵心徑向通風(fēng)溝，與進(jìn)入氣隙的氣流匯合進(jìn)入定子徑向通風(fēng)溝。三路氣流在定子背部匯合，從背部出風(fēng)區(qū)排向換熱器[3]。

為節(jié)省計(jì)算資源，根據(jù)電機(jī)本身所具有的對稱特性，對電機(jī)模型進(jìn)行簡化處理：軸向?qū)ΨQ取半，圓周方向的簡化根據(jù)定轉(zhuǎn)子槽數(shù)之比確定了最小周期性單元、取整個(gè)圓周的1/42，取半后的仿真模型共有11個(gè)通風(fēng)溝。電機(jī)實(shí)際模型如圖1所示。

圖1 電機(jī)的物理模型

1.2端部繞組簡化

定子端部繞組空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，本文選取三種簡化方式，分別給定相同的條件進(jìn)行計(jì)算，如圖2所示。方案1將定子繞組拉長成直線段，這種方案建模時(shí)間短、網(wǎng)格質(zhì)量高，缺點(diǎn)是建模軸向長度過長，與實(shí)際情況相差較大。方案2將槽內(nèi)直線段拉伸一小段后向上彎曲成矩形框，但是仍然保證上下層線圈在一個(gè)平面。這種方案將端部繞組簡化成二維結(jié)構(gòu)，保證端部繞組軸向長度與實(shí)際電機(jī)相等。方案3對繞組三維結(jié)構(gòu)精確建模，槽內(nèi)的上下層線圈分別與不同槽內(nèi)的上下層線圈連接。這種方案建模時(shí)間長，網(wǎng)格劃分需要一定的經(jīng)驗(yàn)和技巧，網(wǎng)格數(shù)量多、計(jì)算時(shí)間長。

圖2 端部繞組三種簡化方案

1.3端部繞組建模

端部繞組的建模需要注意絕緣層的處理，絕緣材料一般為絕熱材料，導(dǎo)熱系數(shù)為0.1～0.3 W/(m·K)，對其合理的等效是準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)溫度場的關(guān)鍵[4]。該電機(jī)定子繞組采用雙層整距集中繞組形式，繞組內(nèi)部的銅心多為多層銅線疊加而成，且每層線圈均包裹有絕緣材料。建模時(shí)將繞組簡化成其最外緣包裹一層絕緣層，并使散熱面積相同,如圖3所示。

圖3 定子繞組等效絕緣層

槽絕緣中含有絕緣漆、浸漬漆、絕緣紙等多種絕緣材料，很難直接準(zhǔn)確地計(jì)算繞組等效絕緣層的導(dǎo)熱系數(shù)[5]。等效導(dǎo)熱系數(shù)λev的計(jì)算方法為

式中:δi——各絕緣材料的等效厚度；

λi——各絕緣材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)。

通過式(1)的計(jì)算，并結(jié)合計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，定子繞組等效絕緣層等效導(dǎo)熱系數(shù)λev為0.2 W/(m·K)。

2 熱流場的數(shù)值計(jì)算

2.1溫度場計(jì)算基礎(chǔ)

對于各項(xiàng)異性介質(zhì)，直角坐標(biāo)系下三維導(dǎo)熱偏微分方程為[6]

式中:T——物體的溫度；

t——時(shí)間；

kx、ky、kz——x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；

ρ——材料的密度；

c——材料的比熱；

qv——熱源的發(fā)熱密度。

對于穩(wěn)態(tài)溫度場，溫度不隨時(shí)間變化，即?T/?t=0，考慮到邊界條件，對導(dǎo)熱微分方程的求解可以歸為一個(gè)邊值問題：

式中:S1——物體邊界；

T0——已知邊界面的溫度；

k2——垂直于界面S2的熱傳導(dǎo)率；

q——通過界面的熱流密度；

k3——垂直于界面S3的熱傳導(dǎo)率；

Tf——冷卻介質(zhì)的溫度；

α——發(fā)生在界面S3上物體與冷卻介質(zhì)的對流換熱系數(shù)。

2.2流場計(jì)算基礎(chǔ)

根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)的基本原理，在直角坐標(biāo)系中可以寫出相應(yīng)的流體通用控制方程[7]：

式中:u——速度矢量;

ρ——流體密度；

Φ——通用變量，對于不同的控制方程，可以分別代表脈動(dòng)動(dòng)能、能量耗散率等求解變量；

Γ——廣義擴(kuò)展系數(shù)；

S——廣義源項(xiàng)。

2.3計(jì)算假設(shè)與設(shè)置

為簡化計(jì)算過程，本文作如下假設(shè)：(1)忽略機(jī)殼與空氣的自然對流換熱以及機(jī)殼的輻射散熱。(2)電機(jī)內(nèi)部流道的空氣流速遠(yuǎn)小于聲速，即馬赫數(shù)Ma很小，將空氣作為不可壓縮流體來處理。(3)定子鐵耗在定子齒部和軛部平均分布。(4)各組件接觸良好，接觸熱阻為零。(5)定子銅損耗在上下層線棒平均分布[8]。

計(jì)算時(shí)選用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型，所有網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的離散方程組采用分離、隱式求解，其中，壓力與速度耦合方程采用SIMPLE算法，方程均采用二階迎風(fēng)格式離散[9]。

3 計(jì)算結(jié)果

應(yīng)用Fluent仿真軟件平臺，利用三種計(jì)算模型對電機(jī)溫度場流體場進(jìn)行仿真分析，多次迭代計(jì)算收斂后獲得最終結(jié)果。電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子各部分的溫度、定子背部風(fēng)量和電機(jī)風(fēng)壓仿真結(jié)果如表1所示，計(jì)算時(shí)假設(shè)電機(jī)運(yùn)行處于穩(wěn)態(tài)，單邊進(jìn)風(fēng)量10 m3/s，冷卻空氣進(jìn)口溫度40 ℃。

從表1可見，三種模型計(jì)算出的定轉(zhuǎn)子和鐵心的溫度均滿足電機(jī)F級考核要求。對于各部件最高溫度值，方案2和方案3計(jì)算結(jié)果符合較好，差值在3 K以內(nèi)。定子鐵心冷卻效果較好，最高溫度為104～108 ℃，平均溫度為71～73 ℃。轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)子導(dǎo)條主要依靠風(fēng)冷，轉(zhuǎn)子鐵心最高溫度與平均溫度相差18 K以內(nèi)，轉(zhuǎn)子導(dǎo)條最高溫度與平均溫度相差8 K以內(nèi)。

表1 三種建模方案溫度場計(jì)算結(jié)果

假設(shè)并聯(lián)的3條風(fēng)路對應(yīng)的風(fēng)阻分別為Z1、Z2、Z3，電機(jī)端部繞組對應(yīng)的風(fēng)阻為Zd，則電機(jī)的總風(fēng)阻Zt可以由式(5)表示[10]：

電機(jī)定轉(zhuǎn)子尺寸固定，三種模型假設(shè)的背部通風(fēng)面積也相同，因此3條風(fēng)路對應(yīng)的總風(fēng)阻相同。不同的端部繞組建模方式導(dǎo)致氣流經(jīng)過端部繞組時(shí)的風(fēng)阻Zd略有不同，因此三種計(jì)算模型對應(yīng)的總風(fēng)阻Zt略有不同。假設(shè)電機(jī)的風(fēng)壓為p，冷卻空氣單邊進(jìn)風(fēng)量為Q，則二者與總風(fēng)阻Zt的關(guān)系由式(6)表示：

三種計(jì)算模型的冷卻總風(fēng)量Q相同，因此不同的總風(fēng)阻Zt對應(yīng)著電機(jī)風(fēng)壓p略有不同。這與流體場仿真結(jié)果是相符的。

圖4為計(jì)算模型中截面流體場分布圖。電機(jī)內(nèi)最高風(fēng)速為44～47 m/s。定子背部擋風(fēng)板增設(shè)有通風(fēng)孔，氣流經(jīng)過此處相當(dāng)于進(jìn)入“漸縮管”，速度增加[11]。進(jìn)入轉(zhuǎn)子支架內(nèi)空氣流速較小，因此定轉(zhuǎn)子各個(gè)徑向通風(fēng)溝內(nèi)氣體流速差別不大，散熱效果相當(dāng)，定子鐵心溫度分布較為均勻。端部繞組上方出現(xiàn)渦流，冷卻風(fēng)量有所損失，可以通過增設(shè)擋風(fēng)板解決此問題。

圖4 三種端部繞組簡化模型流體場分布

圖5 三種端部繞組簡化模型溫度場分布

圖5為使用三種模型計(jì)算得到的定子鐵心和定子繞組溫度場分布圖。該型感應(yīng)電動(dòng)機(jī)最高溫升出現(xiàn)在端部繞組。方案2繞組最高溫度出現(xiàn)在定子繞組下層，出現(xiàn)位置與方案3略有不同。這是因?yàn)榉桨?建模后下層繞組折角處形成氣流“死區(qū)”，導(dǎo)致下層繞組與冷卻介質(zhì)對流換熱變差，因而出現(xiàn)局部溫度較高。從電機(jī)最高溫度值的計(jì)算結(jié)果來看，方案2和方案3相差較小。從溫度場云圖來看，方案1定子鐵心溫度計(jì)算值偏低，與方案2和方案3相差較大。這是因?yàn)閷⒍瞬坷@組拉直后，端部繞組的風(fēng)阻變小，使得進(jìn)入定子鐵心背部的風(fēng)量增加，定子鐵心軛部冷卻效果得到加強(qiáng)。

從三種方案的計(jì)算結(jié)果來看，電機(jī)內(nèi)部熱流場的耦合比較強(qiáng)。端部繞組建模時(shí)的不同簡化方式，直接影響電機(jī)內(nèi)部流場的分布，進(jìn)而影響著各部件與冷卻空氣的對流換熱效果，因此會對電機(jī)溫度場計(jì)算的準(zhǔn)確性造成一定的影響。從電機(jī)各部件具體的溫度計(jì)算結(jié)果來看，結(jié)合電機(jī)三維熱流場分布云圖，方案2和方案3計(jì)算結(jié)果吻合較好，可以選用方案2作為定子繞組端部建模簡化方案。

4 結(jié) 語

本文針對一臺感應(yīng)電動(dòng)機(jī)使用3種模型對其定轉(zhuǎn)子的三維溫度場流體場進(jìn)行了仿真分析，比較了不同端部繞組建模簡化方案對電機(jī)熱流場仿真的影響。計(jì)算結(jié)果表明，將定子端部繞組簡化為拉直向上彎折的二維結(jié)構(gòu)對計(jì)算結(jié)果影響較小。這種簡化方式對于快速進(jìn)行電機(jī)熱流場仿真、縮短電機(jī)設(shè)計(jì)周期是有益的。

[1] 丁舜年.大型電機(jī)的發(fā)熱與冷卻[M].北京:科學(xué)出版社,1992.

[2] 劉秀杰,楊平,陳巖.發(fā)電機(jī)定子繞組溫度的計(jì)算方法及評價(jià)[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2014,41(1): 19-22.

[3] 余中軍,王東,郭云珺.汽輪發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子三維溫度場仿真計(jì)算[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2013,40(11): 8-11.

[4] JANNE N, MARKO R, JUHA P. Thermal analysis of radial-flux electrical machines with a high power density[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(10): 3543-3554.

[5] 王淑旺,江曼,朱標(biāo)龍,等.車用變頻調(diào)速水冷永磁同步電機(jī)三維溫度場分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2016,43(2): 55-59.

[6] 楊明發(fā),張培銘.異步電動(dòng)機(jī)定子全域三維溫度場物理模型簡化研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(S): 203-208.

[7] 張楨海,遲長春,練正兵,等.高功率密度籠型異步風(fēng)力發(fā)電機(jī)通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[J].電機(jī)與控制應(yīng)用,2015,42(4): 53-57.

[8] 霍菲陽,李勇,李偉力,等.大型空冷汽輪發(fā)電機(jī)定子通風(fēng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的計(jì)算與分析[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2010,30(6): 69-75.

[9] 陶文銓.數(shù)值傳熱學(xué)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2001.

[10] [蘇]鮑里先科,丹科,亞科夫列夫.電機(jī)中的空氣動(dòng)力學(xué)與熱傳遞[M].魏書慈,邱建甫,譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1985.

[11] 郭榮良,郭清南,祝世興.流體力學(xué)及應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1996.

AnalysisofInfluenceofSimplifiedModelofStatorEndWindingonMotorThermalFieldandVelocityFieldCalculation*

WANGYongqing1,YUZhongjun1,JIANGYapeng1,GAOQiang2

(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System,Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2. PLAN Representative Office in 712th Research Institute, Wuhan 430070, China)

The temperature rise of the motor was one of the main factors that affected the performance and reliability of the motor. At present, the three dimensional temperature field simulation method was adopted, but because of the complex structure of winding and the strong coupling of heat flux field,which affecting the accuracy of the calculation results largerly. The simplified modeling method of 3 kinds of stator end winding was established, and the simulation and analysis of the heat flux field of the induction motor was carried out by using the Fluent simulation software platform. The results showed that the model could be simplified as a two-dimensional stator end winding structure of straightening bent upward, the simplified method had both advantages of short modeling time and high simulation precision. The conclusions could be used as a reference for the simulation of the heat flux field and shorting the design period of the motor.

inductionmotor;temperaturefield;endwinding;simplifiedmodel

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB035601)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51690181)

王永青(1993—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)殡姍C(jī)冷卻技術(shù)。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)11- 0067- 05

2017 -04 -05