船舶驅(qū)動用異步電機三維溫度場研究

丁樹業(yè)++關(guān)天宇++崔廣慧

摘要：為研究船舶驅(qū)動用異步電機傳熱性能及溫升特性，以一臺Y2-250M-4型、55 kW異步電機為例，采用有限體積元法對其三維穩(wěn)態(tài)溫度場求解計算，分析了電機額定負載運行時主要部位的溫升特性，同時，根據(jù)其船舶驅(qū)動的用途特點，實際運行時負載多呈變侈，因此對電機不同負載工況的溫升進行求解并對比分析，通過搭建實驗平臺，將實驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果相對比驗證.結(jié)果表明：無論何種工況，電機的最高溫升均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子導條處；隨著負載的增大，電機各主要部位的最高溫升呈增加趨勢，并且其增幅逐漸趨于顯著.該研究為電機設計及性能優(yōu)化、故障預測提供一定參考.

關(guān)鍵詞：異步電機；三維溫度場；溫升；不同負載工況

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.001

中圖分類號：TM343

文獻標志碼：A

文章編號：1007-2683（2015）05-0001-07

0 引 言

異步電機以其成本低、結(jié)構(gòu)簡單可靠及維護費用少等優(yōu)點廣泛應用于生產(chǎn)生活中，但其實際運行過程中產(chǎn)生的損耗不僅造成電能損失，還導致電機發(fā)熱，進而影響電機運行的穩(wěn)定性和使用壽命.因此，對溫升的研究顯得尤為重要，考慮到船舶驅(qū)動用電機的工作環(huán)境及要求的特殊性，其實際運行時不僅長期工作在額定負載工況，還需應對輕載、重載以及間歇性啟停等情況，因此單一負載工況的溫度場分析已滿足不了要求，對多工況負載條件的研究與特性分析具有一定的理論與實際工程價值，

目前，國內(nèi)外學者已采用有限元法（FEM），有限體積元法（FVEM）對電機二維溫度場與三維溫度場及一些關(guān)鍵因素對溫度場的影響進行了研究，對電機流熱耦合計算與大型電機相關(guān)結(jié)構(gòu)部位如磁極、定子、轉(zhuǎn)子及繞組的溫度場，氣隙及通風道的流體場進行了數(shù)值分析研究.綜上所述，當前的電機溫度場研究主要集中在大型電機方面，中小型異步電機的流體場與溫度場耦合計算，特別是考慮不同負載工況下電機溫升分布特性的研究較少報道.

本文以一臺55kW船舶驅(qū)動用異步電機為例，采用有限體積元法對基于流一熱協(xié)同機理建立的模型進行數(shù)值計算，通過對電機三維溫度場的研究，重點分析了額定負載運行時電機主要部位的溫升分布特性，考慮到電機作為船舶驅(qū)動的用途，選取空載、半載、額定負載及1.1倍額定負載4種工況下的電機溫升分布進行對比分析，最后通過搭建實驗測試平臺，將計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相對比分析，驗證了計算結(jié)果及求解方法的正確性.

1 電機參數(shù)

本文以一臺Y2-250M-4型、55kW船舶驅(qū)動用異步電機為分析對象，基于流一熱協(xié)同機理對電機內(nèi)溫度場及流體場進行耦合數(shù)值計算，電機基本參數(shù)如表1所示.

基于有限元法對額定工況下電機內(nèi)電磁場進行仿真計算，得到其損耗分布如表2所示.

2 模型確定及求解條件

2.1 數(shù)學模型

對驅(qū)動用異步電機內(nèi)三維穩(wěn)態(tài)溫度場及流體場進行數(shù)值研究，由傳熱學基本原理可知，為實現(xiàn)方程簡化不考慮時間項.并且采用三維穩(wěn)態(tài)含熱源與各向異性介質(zhì)的導熱控制方程，在直角坐標系下，三維導熱方程表示如下：式中：t為固體待求溫度（K）；K_x、k_y、k_z分別為材料沿x、y及z方向的導熱系數(shù)（W/（m·K））；q為求解域內(nèi)各熱源體密度之和（W/m³）；a為散熱表面的散熱系數(shù)（W/（㎡·K》；T_f為散熱面周圍流體的溫度（K）.

同時，根據(jù)流體力學理論，電機內(nèi)流體的流動與傳熱滿足質(zhì)量、動量以及能量守恒定則，采用標準k-ε方程模型對流體進行描述.當流體為不可壓縮且處于穩(wěn)定流動狀態(tài)時，其通用控制方程為：式中：φ、V為通用變量；ρ為流體密度；Γ為擴展系數(shù)；S為源項.

2.2 基本假設

根據(jù)驅(qū)動用異步電機結(jié)構(gòu)及三維溫度場求解域特點，為實現(xiàn)合理簡化求解，做如下假設：

1）異步電機內(nèi)空氣的雷諾數(shù)很大（R_e>2300），故采用湍流模型對其流場進行求解；

2）異步電機流體場中，流體流速遠小于聲速，即馬赫數(shù)（Ma數(shù)）很小，故視為不可壓縮流體處理：

3）認為渦流效應對每根繞組的影響相同，對端部繞組采用平直化處理；

4）只考慮電機內(nèi)流體流速的穩(wěn)定狀態(tài)，控制方程不含有時間項；

5）異步電機內(nèi)各處浸漆均勻良好；將定子槽內(nèi)上下層全部銅線分別等效為一個銅質(zhì)導熱體；槽內(nèi)各處絕緣等效為一個絕緣實體.銅質(zhì)導熱體位于槽中心處，周圍與槽壁平行，等效后的絕緣均勻分布在導熱體周圍.

2.3 通風結(jié)構(gòu)

本電機采用全封閉自扇冷式冷卻結(jié)構(gòu)，電機端部采用與轉(zhuǎn)子同軸驅(qū)動的離心式風扇以提供一定的冷卻風量，從而對散熱翅進行對流換熱；另外電機內(nèi)部轉(zhuǎn)子兩側(cè)端環(huán)鑄出一定結(jié)構(gòu)尺寸的自勵性風扇作用元件，攪動電機端部氣腔內(nèi)空氣，促進電機內(nèi)冷卻介質(zhì)將定轉(zhuǎn)子端部熱量傳遞出去.

2.4 物理模型

由以上基本假設及通風結(jié)構(gòu)特點，可以建立電機內(nèi)流體以及溫度直接耦合求解的電機物理模型，根據(jù)電機外風路的結(jié)構(gòu)特點以及電機結(jié)構(gòu)件的導熱性能，取電機的整個軸向長度半個圓周方向作為電機耦合場的求解域.圖1為電機求解域物理模型，圖中冷卻介質(zhì)空氣的人口為電機端部離心式風扇處，出口為包裹電機的外部空氣域.

圖2為電機網(wǎng)格剖分示意圖，根據(jù)電機的結(jié)構(gòu)特點，求解域內(nèi)不同區(qū)域采用不同的網(wǎng)格類型分別進行剖分，即混合網(wǎng)格類型，其中包括六面體八節(jié)點網(wǎng)格、楔形網(wǎng)格及棱錐網(wǎng)格.這種剖分方式具有高密度、高光滑性、低歪斜性等特點，能夠確保臨近單元的體積差很小，以準確的處理邊界條件，提高計算精度.

2.5 邊界條件

結(jié)合電機求解域設定及結(jié)構(gòu)尺寸，邊界條件為：