變頻調(diào)速異步電動機(jī)三維溫度場耦合計(jì)算與分析

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(南車株洲電機(jī)有限公司, 湖南株洲 412001)

0 引言

對于電機(jī)而言，電機(jī)內(nèi)的流體流動對于電機(jī)的散熱有著重要的作用。電機(jī)的溫升以及內(nèi)部發(fā)熱情況的分析很大程度上取決于冷卻介質(zhì)的溫度和流動情況，因此將電機(jī)內(nèi)流體與固體耦合起來進(jìn)行計(jì)算分析是非常必要的。目前，大多數(shù)文獻(xiàn)[1～ 3]都是取電機(jī)的局部模型進(jìn)行分析計(jì)算，利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算散熱系數(shù)進(jìn)行邊界條件的加載，對于電機(jī)整體建模計(jì)算求解的文獻(xiàn)很少。

本文采用有限體積法，建立了一臺水冷電動輪變頻調(diào)速異步牽引電機(jī)的整機(jī)三維模型，采用流體場與溫度場耦合計(jì)算的方法，計(jì)算了電機(jī)的整機(jī)溫度場分布，模擬了水套內(nèi)冷卻水的流動情況和溫度分布。避免了計(jì)算局部模型需要利用經(jīng)驗(yàn)公式加載散熱系數(shù)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(jī)的原始模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕：雎阅Ｐ椭写我牟糠郑鐚鳠嵊绊懖淮蟮牟考途植考?xì)節(jié)特征。如電機(jī)外部的吊耳，地腳等構(gòu)件對傳熱的影響較小，可忽略不建。對于電機(jī)內(nèi)部的建模，保留和傳熱相關(guān)的固體區(qū)域，出于提高計(jì)算效率的考慮，做適當(dāng)簡化，局部的細(xì)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(dú)成體。

本文計(jì)算的異步牽引電機(jī)的主要構(gòu)件包括三大部分：機(jī)座、轉(zhuǎn)子和定子。機(jī)座由內(nèi)、外水套以及筋板形成一個(gè)水路外循環(huán)；動域轉(zhuǎn)子、定子與機(jī)座內(nèi)水套形成空氣內(nèi)循環(huán)。轉(zhuǎn)子部分忽略轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的加工，將其簡化為一個(gè)長方體，將轉(zhuǎn)子端環(huán)簡化為一個(gè)圓環(huán)，使得導(dǎo)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(nèi)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(shí)際計(jì)算更關(guān)心的是它們對熱量傳遞的阻隔，并不關(guān)心它們內(nèi)部的溫度分布，因此等效為絕緣材料。簡化后的計(jì)算模型如圖1所示。

圖1 電機(jī)計(jì)算區(qū)域模型

2 基本假設(shè)及邊界條件

在簡化后的模型基礎(chǔ)上生成流體域，并根據(jù)模型對流體域進(jìn)行分塊，如動、靜域的劃分。對不同塊分別進(jìn)行劃分網(wǎng)格，劃分完局部網(wǎng)格后進(jìn)行網(wǎng)格合并，并生成交界面。將合并后的網(wǎng)格導(dǎo)入到CFD軟件中，選擇適當(dāng)?shù)牧黧w模型，打開能量方程。選擇動參考系模型，設(shè)置不同域的運(yùn)動屬性，對不同部件的材料屬性進(jìn)行設(shè)置，硅鋼片的導(dǎo)熱屬性需要考慮各項(xiàng)異性。設(shè)置邊界條件后求解計(jì)算，得到電機(jī)的流場和溫度場分布。

2.1 計(jì)算基本假設(shè)

計(jì)算區(qū)域基本假設(shè)

(1) 轉(zhuǎn)子鐵心中磁場交變頻率很低，所以忽略轉(zhuǎn)子鐵心的基本鐵損耗；

(2) 轉(zhuǎn)子鐵心中的附加損耗認(rèn)為在轉(zhuǎn)子表面一極薄的體內(nèi)；

(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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，環(huán)境溫度為30°。

(2)機(jī)座表面為對流散熱邊界條件。

(3)轉(zhuǎn)子采用MRF模型，給定轉(zhuǎn)速。

(4)定子繞組、定子齒部、定子軛部、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條以及轉(zhuǎn)子表面薄體為熱源。

3 溫度場的數(shù)值計(jì)算

3.1 數(shù)學(xué)描述

流體流動所遵循的物理定律，是建立流體運(yùn)動基本方程組的依據(jù)。這些定律主要包括質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒、熱力學(xué)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；Γ—相應(yīng)于φ的廣義擴(kuò)散系數(shù)；S—廣義源項(xiàng)。

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(diǎn)上產(chǎn)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(diǎn)處的值。

3.2 流體場計(jì)算結(jié)果

由于水套內(nèi)冷卻水的雷諾數(shù)Re[4]很大(大于2 300)，屬于紊流流動，固采用標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算可得出機(jī)座水套內(nèi)冷卻水的流速和壓強(qiáng)損失，分別如圖2和圖3所示。

圖2 水套內(nèi)冷卻水速度云圖

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

圖3 水套內(nèi)冷卻水壓強(qiáng)云圖

通過計(jì)算，機(jī)座水套入口處與出口的壓強(qiáng)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(jì)算結(jié)果

電機(jī)周向和軸向分別做一個(gè)截面，顯示出截面的溫度場分布，如圖4、圖5所示。

圖4 電機(jī)周向截面溫度云圖

圖5 電機(jī)軸向截面溫度云圖

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

圖6 定子導(dǎo)條溫度云圖

圖7 轉(zhuǎn)子溫度云圖

定子溫升最大點(diǎn)為定子繞組端部處，溫升最大值為86K，從定子導(dǎo)條溫度云圖中可以看出，導(dǎo)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?yàn)橹本€段產(chǎn)生熱量可以通過定子鐵心直接傳導(dǎo)到機(jī)座水套內(nèi)，冷卻效果較好。轉(zhuǎn)子溫升最大點(diǎn)為轉(zhuǎn)子端環(huán)處，溫升最大值為102K。

4 與試驗(yàn)結(jié)果對比

在電機(jī)定子端部綁扎測溫元件，待電機(jī)溫升試驗(yàn)溫度穩(wěn)定后，實(shí)測定子溫升為87K。與仿真計(jì)算結(jié)果86K相對誤差很小，誤差僅為1.15%，說明整機(jī)模型流體場與溫度場耦合計(jì)算的方法可靠。計(jì)算值比實(shí)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(jìn)去的話，溫升會有所增加。

5 結(jié)語

本文應(yīng)用流體力學(xué)和傳熱學(xué)理論，通過對YP110-8、110KW變頻調(diào)速異步水冷電動機(jī)流體場和溫度場的計(jì)算，得到如下結(jié)論。

(1) 電機(jī)水套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)余量。

(2) 電機(jī)各部分溫升均在溫升限度以內(nèi)，說明電機(jī)的電磁方案和結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)合理。

(3) 采用整機(jī)模型對流體場和溫度場耦合算法更加貼近實(shí)際，可以避免計(jì)算局部模型需要利用經(jīng)驗(yàn)公式加載散熱系數(shù)和邊界條件施加不精確所帶來的誤差，能夠計(jì)算出電機(jī)內(nèi)部整個(gè)流場的流動情況，計(jì)算出的溫度場也更加準(zhǔn)確，可以為電機(jī)優(yōu)化冷卻結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)，更有效的降低電機(jī)的溫升。

[1] 溫嘉斌,鄢鴻羽. 定子通風(fēng)槽鋼對通風(fēng)溝內(nèi)流體流動形態(tài)的影響[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2010,14(11):58-62.

[2] 溫嘉斌,王國輝.中型高壓異步電動機(jī)三維溫度場耦合計(jì)算與分析[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，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(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.

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

[5] 江帆,黃鵬. FLUENT高級應(yīng)用與實(shí)例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008:8-29.