高壓方箱電機(jī)內(nèi)部三維溫度場計(jì)算與分析

張勝男，王春瑞，于京平

(佳木斯電機(jī)股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

空冷卻方式被旋轉(zhuǎn)電機(jī)普遍采用，即:通過風(fēng)扇作為激勵(lì)源強(qiáng)迫空氣流動(dòng)來冷卻電機(jī)。電機(jī)的通風(fēng)效果影響著電機(jī)的溫升、效率、運(yùn)行狀態(tài)等諸多方面，尤其隨著電機(jī)容量的不斷加大這種影響會(huì)越來越大。如果電機(jī)內(nèi)部溫升過高將會(huì)導(dǎo)致絕緣出現(xiàn)分層、脫殼、老化等現(xiàn)象，從而使絕緣的介電性能下降，進(jìn)而引發(fā)電機(jī)內(nèi)部的各種放電、短路故障，增加了電機(jī)發(fā)生故障的概率。所以如何使電機(jī)產(chǎn)生的熱量能被有效控制，在電機(jī)的設(shè)計(jì)中非常重要，通過對(duì)電機(jī)通風(fēng)散熱系統(tǒng)的正確分析，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)溫升的控制，確保電機(jī)的可靠性，對(duì)于材料利用率的提高、成本的降低也都起著非常重要的作用［2］。

本文旨在通過對(duì)電機(jī)內(nèi)部溫度場的計(jì)算分析，進(jìn)而掌握電機(jī)在運(yùn)行時(shí)溫度分布情況，從而為電機(jī)風(fēng)路的優(yōu)化提供必要參考依據(jù)。

1 原理和方法［3］

1.1 傳熱的基本定律

熱量總是從高溫向低溫方向傳導(dǎo)。至于熱流密度，即單位時(shí)間內(nèi)通過單位等溫面的熱量，則與各點(diǎn)在等溫面的法線方向上的空間溫度變化率或即各點(diǎn)的溫度梯度成正比

式中，q—熱流密度;λ—比例常數(shù)，即熱導(dǎo)率。

1.2 熱傳導(dǎo)方程

計(jì)算熱傳導(dǎo)問題是較為復(fù)雜的問題，例如計(jì)算繞組導(dǎo)體或鐵心沿軸向的溫度分布時(shí)，則不能采用近似的“路”的概念，而仍需要場方程，即需要建立溫度場與熱源之間的關(guān)系式。這種關(guān)系式成為熱傳導(dǎo)方程，它是建立在熱傳導(dǎo)定律和能量守恒原理的基礎(chǔ)上的。

設(shè)想從熱源溫度場的介質(zhì)中分離出一個(gè)體積元dv，則根據(jù)能量守恒原理:在一定時(shí)間內(nèi)，這個(gè)體積元內(nèi)所產(chǎn)生的熱量Φ1應(yīng)等于同一時(shí)間內(nèi)從這個(gè)體積元表面?zhèn)鲗?dǎo)出去的熱量Φ2與留在體積內(nèi)的熱量Φ3之和，即

假定介質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)，單位體積中所產(chǎn)生的熱量為p，p 可以是空間及時(shí)間的函數(shù)，則在dt時(shí)間內(nèi)，介質(zhì)中所產(chǎn)生的熱量為

在同一時(shí)間內(nèi)，被介質(zhì)所吸收的熱量為

式中，c—比熱容。

在同一時(shí)間內(nèi)，從介質(zhì)的全表面?zhèn)鲗?dǎo)出去的熱量為(假定各向熱導(dǎo)率相等)

式中應(yīng)用了奧式定理，又因?yàn)闊崃繌母邷亓飨虻蜏兀诖饲闆r下gradθ 為負(fù)值，為使從介質(zhì)的全表面?zhèn)鲗?dǎo)出去的熱量為正值，故在等式右邊加一負(fù)號(hào)。

式(9)為熱傳導(dǎo)方程，它用微分方程的形式來表達(dá)的各物理量在相鄰空間和相鄰時(shí)間的數(shù)值間的關(guān)系。

1.3 對(duì)流和輻射散熱

一般情況下，熱量從發(fā)熱體表面散發(fā)到周圍介質(zhì)中區(qū)主要通過兩個(gè)方式:一是輻射;二是借助于空氣或者其他冷卻介質(zhì)的對(duì)流。在電機(jī)中，通常后者占主導(dǎo)地位。而計(jì)算由對(duì)流作用帶走的熱量時(shí)，為了方便，都采用牛頓散熱定律

式中，q—熱流強(qiáng)度(w/m2);α—為散熱系統(tǒng)(w/m2·℃);θ1、θ2—固體和流體的溫度。

2 計(jì)算以及分析

本文利用Ansys 對(duì)具有典型徑向通風(fēng)代表結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行建模、網(wǎng)格劃分、計(jì)算求解和分析。

2.1 模型簡化

為了給模型的網(wǎng)格劃分提供一個(gè)簡便的平臺(tái)，需要根據(jù)以往建模和劃分網(wǎng)格的經(jīng)驗(yàn)對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行合理的簡化，合理的簡化模型對(duì)有效劃分網(wǎng)格和縮短后處理的計(jì)算時(shí)間有很大幫助。整機(jī)簡化模型如圖1 和圖2 所示。

圖1 Solidworks 整機(jī)模型

圖2 Ansys 整機(jī)簡化模型

2.2 網(wǎng)格劃分

由于電機(jī)結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱，在給出邊界條件后為了減少計(jì)算量，本課題只對(duì)電機(jī)的左側(cè)部分進(jìn)行了建模，應(yīng)用Ansys/APDL 語言建立方箱電機(jī)的三維模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 Ansys 簡化整機(jī)模型

2.3 實(shí)例計(jì)算以及分析

2.3.1 方箱電機(jī)基本參數(shù)，見表1。

表1 方箱電機(jī)基本參數(shù)

2.3.2 電機(jī)的導(dǎo)熱系數(shù)及生成率

通過方箱電機(jī)試驗(yàn)結(jié)果單所給出的損耗計(jì)算電機(jī)各部分的熱生成率，即在單位時(shí)間內(nèi)所產(chǎn)生的熱量，電機(jī)各部分的熱生成率和導(dǎo)熱系數(shù)見表2和表3。

表2 方箱電機(jī)損耗及熱生成率

表3 電機(jī)各部分導(dǎo)熱系數(shù)

2.2.4 三維溫度場的的計(jì)算

在電機(jī)的定轉(zhuǎn)子繞組及定子鐵心上施加損耗，并在機(jī)座外殼、機(jī)座通風(fēng)道、氣隙等施加散熱系數(shù)等參數(shù)，計(jì)算電機(jī)的三維溫度場，計(jì)算結(jié)果如圖4-圖9 所示。

圖4 整機(jī)內(nèi)側(cè)溫度場

圖5 機(jī)座側(cè)溫度場

圖6 定子沖片內(nèi)側(cè)三維溫度場

圖7 定子沖片外側(cè)三維溫度場

圖8 定子繞組內(nèi)側(cè)溫度場

圖9 定子繞組外側(cè)溫度場

2.2.5 結(jié)果分析

(1)從圖3-圖5 中可以看出，機(jī)座兩側(cè)板的溫度在59℃(設(shè)置環(huán)境溫度40℃)左右，根據(jù)以往電機(jī)型式試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，電機(jī)兩側(cè)板溫度在45℃～50℃(環(huán)境溫度25℃)。側(cè)板溫升在20k 左右，此值與實(shí)際比較符合。

(2)根據(jù)方箱電機(jī)試驗(yàn)結(jié)果單，U1、U2、U3 埋在鐵心端部，V1、V2、V3 埋在鐵心中間部分，定子繞組的溫度如表4 所示。

表4 定子繞組試驗(yàn)測量溫度

在Ansys 的仿真結(jié)果中，定子繞組的端部溫度為95℃，鐵心中間的溫度為101℃，與電機(jī)的實(shí)測溫度約有10℃的誤差，這是因?yàn)锳nsys 仿真計(jì)算是基于理想的電機(jī)模型計(jì)算的，對(duì)電機(jī)的實(shí)際模型進(jìn)行了相應(yīng)的假設(shè)(如忽略了接觸熱阻等因素)。另外，電機(jī)的導(dǎo)熱系數(shù)與實(shí)際值有一定的誤差，計(jì)算散熱系數(shù)所采用的風(fēng)速只是近似的估計(jì)，并沒有通過電機(jī)的流場分析，這些因素都很有可能導(dǎo)致上述溫度誤差的存在，但通過分析云圖可以看出電機(jī)整體溫度分布趨勢是正確的，網(wǎng)格劃分是合理的，結(jié)果能夠起到指導(dǎo)和參考的作用。

(3)從圖3-圖9 中可以看出，越靠近鐵心的中間部位，溫度越高。因電機(jī)為徑向通風(fēng)，鐵心兩側(cè)端部裝有內(nèi)風(fēng)扇而且散熱空間較大，風(fēng)從兩端進(jìn)入鐵心時(shí)，對(duì)鐵心端部冷卻相對(duì)較好，容易散熱，而對(duì)于鐵心中部來說，由于其散熱空間有限，風(fēng)阻大，通風(fēng)情況相對(duì)鐵心兩側(cè)端部較差，導(dǎo)致中間溫度最高。因此，在實(shí)際的電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，為了降低鐵心中間溫度，需在工藝允許的范圍內(nèi)，盡可能的增加鐵心中部的通風(fēng)道，同時(shí)減小通風(fēng)道之間每段鐵心的長度，通過改進(jìn)的定、轉(zhuǎn)子的鐵心通風(fēng)道的分配和段數(shù)，經(jīng)實(shí)際試驗(yàn)溫升都有明顯下降，

3 結(jié)語

本文通過應(yīng)用Ansys 對(duì)電機(jī)內(nèi)部三維溫度場進(jìn)行建模和仿真分析，可知定轉(zhuǎn)子靠近中間部分溫度較高，因此在工藝允許的情況下，通過增加鐵心中部的通風(fēng)道，減小通風(fēng)道之間每段鐵心的長度來改善定轉(zhuǎn)子鐵心的通風(fēng)散熱，經(jīng)過型式試驗(yàn)證明，這種改進(jìn)有效的改善了電機(jī)的通風(fēng)，降低了電機(jī)的溫升，為合理優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)提供了一定的理論基礎(chǔ)。

［1］ 魏永田.電機(jī)內(nèi)的熱交換.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［2］ 胡俊輝，許承千.大中型異步電機(jī)通風(fēng)的研究和計(jì)算.大型電機(jī)技術(shù)，1992.

［3］ 陳世坤.電機(jī)設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2000.