礦用防爆電機三維溫度場研究

鄭國麗， 黃鵬程

(南車株洲電機有限公司，湖南株洲 412001)

礦用防爆電機三維溫度場研究

鄭國麗， 黃鵬程

(南車株洲電機有限公司，湖南株洲 412001)

電機溫升對電機的性能有重要影響，是電機設計的關鍵。基于流體動力學原理，對礦用防爆電機的熱流耦合場進行數值計算，得到了電機內部流場特性、電機整體溫度分布、電機各部件峰值溫度及所在位置。通過方案比較，確定定、轉子鐵心長度;然后進行結構優化，采用電機內置風扇、定轉子鐵心增設通風孔兩種方法增強電機內部冷卻效果，并驗證數值計算的可行性。所得結論為電機設計提供了一定的理論參考。

防爆電機;水冷;溫度場;數值模擬

0 引言

隨著市場需求的增加，競爭日益激烈，電機產品的品種、數量也在不斷增加，電機的單機容量不斷擴大，對電機技術水平的要求也越來越高。對于電機生產企業而言，只有提高設計開發能力、改善電機性能、降低設計成本，才能增強電機產品的競爭力。因此，國內外電機工作者不斷開發和采用新技術進行電機設計。電機溫升計算是電機設計的關鍵［1-3］，也是決定電機發展的主要因素，因此電機冷卻設計也越來越受到電機設計者的重視。以往通常采用熱路法計算電機的平均溫升，用平均溫升衡量電機的發熱情況，無法得到電機整體溫度分布、電機最高溫升及所在位置。近年來，國內逐漸采用數值方法計算電機溫升［4-8］，采用數值分析方法不僅可以了解電機整體溫度分布，也提高了計算精度，縮短了設計周期，為獲得最佳方案提供有力支持。

本文研究的礦用防爆電機受安裝空間限制，結構緊湊，電機內部封閉，電機散熱通過水套內冷卻水的循環運行和電機外殼的自然對流換熱來實現，電機的散熱能力差。如果電機在運行過程中過熱，會影響電機運行的可靠性和安全性，使電機燒毀甚至損壞。因此，計算電機溫度場，提高電機散熱能力以限制電機溫升，是電機設計的主要問題之一。本文基于流體動力學原理，采用比較先進的數值模擬方法計算電機熱流耦合場，計算得出水道入、出口壓差和電機各部件的溫度分布，并據此改變電機結構。對多種方案進行比較，使電機溫升最終滿足性能指標，為電機設計初期提供重要的理論參考。

1 三維幾何模型

在進行溫升計算以前，根據電磁計算初步確定電機的整體結構，計算出損耗分布，針對損耗相同，定、轉子鐵心長度不同提出兩種方案。通過溫升計算首先確定定、轉子鐵心長度，再改進電機內部通風系統，最終得到理想方案。

本文研究的防爆電機內部封閉，定子外殼設計螺旋水道，冷卻水從入口進入，經螺旋水道冷卻整個電機后流出。為減小由于模型簡化造成的誤差，本文根據初步設計方案建立了電機整體三維模型，如圖1所示，電機內部未置風扇，定轉子鐵心未開設通風孔。考慮定子端部繞組幾何形狀不規則，對定子端部繞組進行合理簡化，建模時不考慮端環、壓圈等結構的影響。

圖1 計算域三維模型

2 控制方程與求解條件

2.1 控制方程

考慮電機轉子旋轉，在多重參考坐標系下，建立流動與傳熱穩態控制方程，包括質量守恒方程及動量守恒方程式，相對速度矢量Vr與絕對速度矢量V的關系式，能量守恒方程式，反映湍流特性的控制方程采用標準k－ε兩方程模型，見文獻［9］:

式中:▽——散度，即▽(ρVr)=div(ρVr);

ρ——密度;

Ω——旋轉角速度矢量;

r——轉動坐標系中微元體的位置矢量;

ρ(2Ω×Vr+Ω×Ω×r)——科里奧里力;

P——作用于空氣微元體上的靜壓力;

F——微元體上的體積力;

τ——因分子黏性作用而產生的作用于微元體表面的黏性應力;

T ——溫度;

Γ——擴散系數，對于轉子線圈，Γ=λ/cp;

ST——單位體積內熱源產生的熱量與定壓比熱cp的比值。

2.2 求解條件

采用數值法求解電機溫度場，需要給定合理的物性參數和邊界條件，本文根據用戶的使用條件及求解問題的需要給定如下:

(1)給定各材料的物性參數，包括密度、比熱容和導熱系數。銅、絕緣、水套、轉軸、端蓋材料的導熱系數 λ 分別為 387.6、0.26、25、44.2、52，單位W/(m·k)。硅鋼片考慮了各項異性，徑向導熱系數為44.2 W/(m·k)，切向導熱系數為44.2 W/(m·k)，軸向導熱系數1.192 W/(m·k)。

(2)螺旋水道入口溫度40℃，流量2.3 m3/h，湍流強度5%，當量直徑20 mm。水道出口設為壓力出口，壓力為標準大氣壓。電機內部空氣分成動靜兩個區域，轉動區域轉速為1 500 r/min，空氣溫度35℃。

(3)水套外殼、端蓋兩側設對流邊界，電機內部流體與壁面交界處均為內部耦合對流邊界。水套外表面的換熱系數根據自然對流換熱的試驗關聯式(5)～式(7)進行計算［10］。

(4)假設電機各發熱部件熱源均布，定、轉子表面損耗透入深度為1.5 mm。

3 結果分析

3.1 確定定轉子鐵心長度

根據電磁計算，初步提出兩種方案。兩種方案結構相似，不同的是方案二與方案一相比定轉子鐵心長度加長160 mm，定子每槽導體數減少2，定子槽高減少5 mm;轉子導條端部單邊伸出長增加10 mm，轉子槽口寬減小1 mm，槽口高增加1.5 mm;螺旋水道相應加長，與定子鐵心軸向相對位置不變。兩種方案電機發熱部件的熱源強度如表1所示。

表1 兩種方案電機發熱部件熱源強度 W/m3

對兩種方案電機熱流耦合場計算得出電機的整體溫度分布、電機各部件峰值溫度及所在位置、電機各部件峰值溫度見表2。兩種方案對比分析，方案二與方案一結構相似，熱源分布位置相同，溫度分布趨勢一致，方案二鐵心加長，單位體積熱源強度降低，水道相應加長，換熱面積增加使電機整體溫度下降，電機最高溫度位于轉子鐵心表面軸向中間位置，為186.3℃，轉子鐵心溫度分布見圖2，轉子導條最高溫度位置與轉子鐵心相近，最高溫度為186.1℃。定子鐵心最高溫度位于齒部鐵心兩側，定子內圓附近，溫度分布如圖3所示，定子鐵心兩側受熱空氣吹拂，溫度較高，鐵心外圓靠近螺旋水道，冷卻效果好、溫升低。定子絕緣最高溫度位于定子槽楔，因定轉子表面雜散損耗導致溫度升高，最高溫度為125.5℃，定子繞組最高溫度位于端部繞組，為122.6℃，電機各部件溫升均在電機溫升限度內。此外根據用戶需求，螺旋水道入、出口壓差需小于0.3 MPa，通過計算兩方案水道入出口壓差分別為0.103 Mpa和0.123 Mpa，均在允許范圍內。方案二，水道加長，流動阻力增加，因此需要提供的壓頭相比方案一大，螺旋水道的溫度分布如圖4所示，冷卻水在水道內沿程吸熱帶走電機熱量，水溫不斷升高，最終從出口流出，如果提供的壓頭增加，冷卻水量增加，冷卻效果更好。通過兩方案溫度對比，定、轉子鐵心長度根據方案二確定。

表2 兩種方案電機各部件峰值溫度 ℃

3.2 多種方案比較

圖5為方案二電機周向截面溫度分布圖，由圖可知，雖然定子繞組和定子絕緣的溫度在溫升允許限度內，但是轉子的溫度較高，轉子產生的熱量主要來自銅耗和轉子表面的雜散損耗，一部分熱量從轉子兩端由機內循環空氣直接帶至機座，見圖6軸伸端空氣區截面速度矢量圖，機內空氣從端部導條流經定子端部繞組至機座后重新循環，由于結構限制，軸伸端水道長度短，空氣與冷卻水的換熱量小，溫升高，不利于轉子冷卻;另一部分從轉子表面通過氣隙傳到定子鐵心，再傳給機座，熱阻大也是導致轉子溫升高的主要因素。為了降低轉子溫升，本文在滿足電磁性能和結構允許的前提下，在方案二基礎上提出方案三，即在軸伸端增加離心風扇，轉子鐵心開設18個直徑為20 mm的通風孔，定子鐵心開設32個直徑為12 mm的通風孔，使機內形成了循環的通風系統，轉子熱量傳遞給轉子風道內的空氣，空氣溫度升高后在風扇離心力作用下流進氣隙和定子風道，由于定子風道靠近螺旋水道，熱阻小，空氣的一部分熱量通過導熱由冷卻水帶走，從而使空氣溫度降低，再從非軸伸端流進轉子風道繼續循環。對電機的三維熱流耦合場進行計算。經計算得出:方案三與方案二相比，轉子最高溫度由186.3℃降到168.3℃，其他各部件溫度也有所降低，效果明顯。

圖7為方案三電機周向截面溫度分布，由圖可知，雖然方案三采用的風路可有效降低轉子溫度，但是由于熱空氣不斷吹拂軸伸端端蓋，使端蓋外壁面溫度升高到90.4℃，導致軸伸端軸承溫度升高，不利于安全運行，因此提出方案四，在軸伸端端蓋內側加絕緣板，定子鐵心風孔數量增加一倍，圖8為方案四未顯示水套的幾何模型。經計算定子風孔增加后，定子風道總流量從0.028 4 kg/s增加到 0.049 5 kg/s，端蓋溫度降低9.1℃。三種方案電機各部件峰值溫度見表3，方案四與方案三比較，除定子鐵心溫度略有增加，其他部件溫度均有所降低，因此選擇方案四作為最終方案。

表3 三種方案電機各部件峰值溫度 ℃

4 數值計算可行性驗證

本文研究的防爆電機處在設計階段，無法進行試驗研究，不能將數值解與試驗解進行比較，因此采用相同的方法對已生產運行的其他電機進行計算，將計算值與試驗值進行對比，相對誤差小于10%，證明數值方法可行。在設計初期，采用數值計算的方法模擬電機額定運行時，高速旋轉狀態下的溫度場并進行方案比較，相對于樣機試驗能夠展示電機的溫度分布，具有更高的靈活性，從而縮短設計時間、降低設計成本。因此，數值方法對優化電機設計具有重要的促進作用。

5 結語

本文通過對防爆電機熱流耦合場的計算，首先通過方案比較確定定、轉子鐵心長度，然后進行結構改進，獲得理想方案，使電機各部件溫升均在電機溫升允許范圍內，并得出以下結論:

(1)產生損耗相同的情況下，定子鐵心長度加長，水道長度相應增加，可降低熱源強度，增加換熱面積，有利于電機冷卻;

(2)根據給定流量計算出螺旋水道入、出口壓差小于0.3 MPa，滿足用戶要求，并有一定余量，如果水道提供的壓頭增加，水道流量也會增加，電機冷卻效果會更好;

(3)在保證電磁性能的前提下，定、轉子鐵心開設通風孔，電機內置離心風扇，形成內循環風路，有利于降低轉子溫升。端蓋內側安裝絕緣板，可防止熱空氣直接吹拂端蓋，導致軸承溫度升高。

［1］丁舜年.大型電機的發熱與冷卻［M］.北京:科學出版社，1992.

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［10］陶文銓.數值傳熱學［M］.西安:西安交通大學出版社，2001.

Three Dimension Temperature Field Studies of Mine Explosion-Proof Motor

ZHENG Guoli，HUANG Pengcheng
(CSR Zhuzhou Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China)

It was the key of motor design because that the motor temperature rise has a significant effect on performance of the electric motors.Thermal-fluid coupled field of mine explosion-proof motor was numerically calculated based on computational fluid dynamics principles.Characteristic of flow field inside the motor，the overall temperature distribution of motor，peak temperature and peak temperature location of motor parts were obtained.Firstly，determine the length of the stator and rotor core by the comparison of proposals.Secondly，optimize the structure according to the temperature distribution，and the motor cooling effect was improved by the method of installing the fan inside the motor and adding vents to the core of stator and rotor.Finally，verify the feasibility of the numerical calculation.The conclusion would provide theoretical references for motor design.

explosion-proof motor;water cooled;temperature field;numerical simulation

TM 357

A

1673-6540(2012)07-0016-04

2011-10-27