定子通風槽鋼對中型高壓電機內溫度場的影響溫嘉斌

，　侯健，　于喜偉

(1.哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.南陽防爆電機廠，河南 南陽 473000)

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定子通風槽鋼對中型高壓電機內溫度場的影響溫嘉斌

1，侯健1，于喜偉2

(1.哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.南陽防爆電機廠，河南 南陽 473000)

該研究以一臺YKK450-4、500 kW中型高壓異步電動機為例，結合電機的結構尺寸，建立了高壓異步電機三維定轉子徑向通風溝以及與之相鄰鐵心段的流體與固體耦合數學模型和物理模型；基于流體力學和傳熱學的理論知識，給出假設條件和邊界條件，進行仿真計算，分析了計算區域的溫度場；最后在定子通風槽鋼長度不變的基礎上，改變定子通風槽鋼近軸端的徑向位置，對通風溝進行重新建模，得到定子通風槽鋼近軸端的徑向位置對電機內溫度場的影響。計算結果表明，通風槽鋼的徑向位置影響定子繞組的冷卻效果。研究結果為提高電機的散熱性能，對電機進行通風結構的優化設計提供了理論依據。

中型高壓異步電動機；流體場；溫度場；通風槽鋼；優化設計

0　引　言

YKK系列中型高壓異步電動機穩定運行時，電機中的電磁場、流體場、溫度場和應力場等多種物理場之間要相互影響和相互制約[1]。在一般情況下，電機的溫升將直接影響著電機的使用壽命及其運行的可靠性。電機內的溫度過高，其內部的絕緣將會出現分層、脫殼、老化等現象，這會使絕緣的介電性能下降，進而引起絕緣的損壞，最終導致電機內部出現各種放電、短路故障現象，使電機燒毀[2]。因此對電機內的溫度場進行準確計算是十分必要的。對于采用空氣冷卻方式的電機來說，通風溝內流體的流動情況與電機內的溫度場的分布有著十分密切的關系，它是計算電機內溫度場的關鍵。

近年來，國內的很多學者都對中型高壓電機的溫度場作了研究，得到了許多有意義的研究成果：通過對電機內部的風路進行整體建模，清楚的觀察到流體在內風路中的流動軌跡[3]；計算出了外風扇和冷卻器的特性曲線，并對電機外風扇和冷卻器的內部結構進行了優化[4]。但研究電機通風溝的學者比較少，這方面的文獻也不常見[5]。而在實際計算中，大部分作者對通風溝內流體流動進行了較大的簡化，這樣雖然便捷了計算，但實際情況與之有比較大的偏差。YKK系列中型高壓異步電動機的結構比較復雜，況且電機運行時轉子是旋轉的，當轉子旋轉時，它所產生的離心力和科里奧利力將會使從轉子流入定子的空氣氣流變得非常復雜，所以在研究徑向通風溝內流體流動時應考慮轉子旋轉的影響[6-7]。因此，含有通風溝的中型高壓電動機的溫度場計算和分析對電機設計和電機的安全運行具有十分重要的意義。

本文以一臺YKK450-4、500 kW中型高壓異步電動機為例，采用CFD數值計算的求解方法，首先利用gambit軟件對該中型高壓三相異步電動機進行建模，然后利用fluent軟件對模型的流動和傳熱問題進行了求解與分析。這樣求解避免了通過經驗公式確定電機通風溝內表面散熱系數所引起的誤差，實現了流體場與溫度場的強耦合。在此基礎上本文對通風槽鋼在不同安裝位置的通風溝進行建模計算，對比分析后得到了一些結論。

1　求解傳熱問題的物理模型與數學模型

YKK450-4、500 kW電動機通風結構如圖1所示。

圖1　電機通風結構Fig.1　Ventilation system of the motor

從圖1中可以看到，該電機內風路采用了密閉循環的結構。在電機內部安裝了擋風板，約束了內部空氣流體的流動方向。在一側安裝的離心式風扇可以產生足夠大的壓強迫使外風路的冷卻氣體進入冷卻器。內風路的冷卻氣體流動方向為定子端部-轉子徑向通風溝-氣隙-定子徑向通風溝-內風扇-冷卻器-定子端部。外風路的冷卻氣體的流動方向為大氣-外風扇-冷卻器入風筒-冷卻管-回到大氣。

1.1通風溝內流體場溫度場耦合的物理模型

如果按照YKK450-4、500 kW中型高壓感應電動機的實際結構尺寸建立完整的電機模型，對模型進行網格劃分之后，得到的網格數非常的大，要進行流體場溫度場耦合計算的話，需多臺電腦并聯運行才可以的，而且，由于端部區域與氣隙的流場物理量數量級差異過大，會產生很大的計算誤差。考慮到以上情況，對計算模型進行了簡化。合理簡化的模型并不會對計算結果有太大的影響，并且模型簡化后還可以減小物理量數量級差異過大引起的舍入誤差，同時節約建模以及計算分析的時間。

通過分析可知，各個徑向通風溝內流體的流動情況比較相似，故可以把電機溫度場求解域確定為通風溝及通風溝兩側的兩片鐵心部分。徑向通風溝的物理模型主要包括定子通風溝內流體、轉子通風溝內流體、轉子支架內流體、氣隙內流體、通風槽鋼、定子繞組、轉子銅排和軸8個部分，如圖2所示。

1.2通風溝內流體場溫度場耦合的數學模型

流體流動所遵循的物理定律是建立流體運動基本方程組的依據。這些定律包括質量守恒、動量守恒和能量守恒三大定律。

圖2　徑向通風溝物理模型Fig.2　Physical model of radial ventilation duct

采用空氣冷卻的異歩電機，其空氣入口速度比較高，通風溝的結構又比較復雜，所以電機內冷卻空氣的流動屬于湍流流動。因而還要補充反映湍流特性的控制方程。

質量守恒方程為

(1)

式中：ρ為微元體密度；t為流動時間；u、v和w為x、y和z方向的速度對應分量[7]。

動量守恒方程為

(2)

式中：p為流體微元體上的壓力；τxx、τxy和τxz為粘性應力τ沿x、y和z方向的分量；Fx、Fy和Fz為微元體上的體積力[8]。

在fluent中進行數值計算時，采用標準k-ε模型，其湍流方程為

(3)

式中：Gk表示由于平均速度梯度引起的湍動能k產生項；Gb表示由于浮力影響引起的湍動能產生項；YM表示可壓湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；在fluent中取經驗值C1ε=1.44，C2ε=1.92，C3ε=0.09；湍動能k與耗散率ε的湍流普朗特數分別為σk=1.0，σε=1.3, Sk和Sε是用戶定義源[8]。

能量守恒方程為

(4)

式中：k為流體傳熱系數，ST為含有流體內熱源與粘性的作用產生的流體機械能轉換為熱能部分總和[7]。

1.3基本假設和邊界條件

1.3.1基本假設

1)由于徑向通風溝內流體的雷諾數很大，屬于湍流，因此采用湍流模型對徑向通風溝內流體場進行求解；

2)在標準大氣壓下，空冷電機中空氣流體浮力和重力的影響可以忽略[9]；

3)電機內流體流速遠小于聲速，即把電機內流體作為不可壓縮流體處理[10]；

4)徑向通風溝內流體的流動處于穩定狀態，即流動屬于定常流動[11-12]；

5)將股線靠進主絕緣側的絕緣歸算到主絕緣中，忽略股線間絕緣；

6)計算模型中的各項介質的物理參數不隨溫度變化；

7)忽略鐵心中諧波損耗以及繞組的擠流效應導致的附加損耗。

1.3.2邊界條件

1)電機內溫度計算采用速度入口和自由出口邊界條件，入口1速度為1.62 m/s，入口2速度為1.18 m/s；

2)各個與空氣相接觸表面全部為無滑移邊界條件；

3)轉子內各個部件為旋轉壁面邊界條件；

4)轉子內流體屬于旋轉流場，采用多重參考坐標系模型(MRF)模擬，氣隙及定子內流體作為靜止部分模擬[13-15]；

5)在流固耦合計算溫升時，電機定子繞組，鐵心以及轉子導條均為熱源，熱源密度按電機額定運行時的試驗所得數據考慮；研究電機的主要參數如表一所示，結構尺寸如表二所示，具體各項損耗數據如表三所示。

表1　電機的主要參數

表2　電機的主要結構尺寸

表3　電機的具體各項損耗

6)將電機機殼視為絕熱的，與流體相接觸的所有面都視為對流換熱表面，各個面對流換熱系數由迭代的計算結果決定；

7)電機轉速為1 480 r/min。

2　通風溝內流體場溫度場耦合計算

2.1原結構流體場與溫度場計算

選取YKK450-4、500 kW中型高壓異步電動機第3個通風溝以及與之相鄰的鐵心段為研究對象進行三維建模及分析計算。第3段通風溝沿軸線厚度為10 mm，它兩端的定子鐵心沿軸線厚度為40 mm，故所建模型沿軸向的厚度為90 mm，而此電機機座橫截面為矩形，故所建三維實體模型簡化如下圖3所示。

剖分、定義邊界條件后，在fluent中進行計算得到計算區域的溫度分布云圖如圖4所示，徑向通風溝內的速度矢量圖如圖5所示，徑向通風溝內的溫度分布云圖如圖6所示。從圖4中可以看出，與轉子鐵心相比，轉子銅排的溫升較高，這是由于銅排是轉子的主要發熱部件。從圖5、6中可以看出，由于繞組的發熱量比較大，所以靠近繞組處的空氣溫升稍高，而由于繞組后方的冷卻空氣的速度較低，且其流體流動狀態呈現渦流，所以繞組后方的氣體溫升增加也比較明顯。

圖3　計算區域三維實體模型Fig.3　Computational domain 3Dmodel of cooler

圖4　計算區域絕對溫度云圖Fig.4　Absolute temperature cloud of computing area

圖5　徑向通風溝內流體速度矢量圖Fig.5　Fluid velocity vector diagram with in the radialventilation duct

圖6　徑向通風溝內溫度分布云圖Fig.6　Absolute temperature chart with in the radialventilation duct

對該電機進行額定負載運行時的溫度測試，將測溫元件埋置在雙層繞組之間，通過引線將信號遠傳到控制柜后可以直接讀取定子繞組的最高溫度。而根據國家標準《GB/T1032-2012三相異步電動機試驗方法》進行型式試驗可以得到繞組的平均溫度。得到的數據與理論計算出的結果進行比較如表4所示。

表4　測量溫度值與實際溫度值相比較

從表4中可以看到，理論計算值與實際檢測值有一定的出入，這是在分析計算時忽略了通風損耗和機械損耗造成的。由于現有的技術難以確定機械損耗和通風損耗在各個部件處發熱率的大小及其作用的具體位置，且二者對電機內部溫度場的影響較小，在計算時未將其考慮進來。

2.2改變定子通風槽鋼近軸端的徑向位置后通風溝內溫度場計算

電機中的定子是固定不動的，在計算電機中的溫度場分布時，它僅起到壁面的作用，同樣，定子中的通風槽鋼也是這樣的。但在過去的工程實際中，大多數情況下是按照一些經驗方法來考慮通風槽鋼對流體流動的影響的。這么做不但缺乏理論依據，而且還不能直觀地反映通風槽鋼對流體流動以及含有徑向通風溝的電機中溫度場的影響[12]。

改變定子通風槽鋼近軸端的徑向位置，可以改變定子通風溝內的風阻，從而使通風溝里流體的流速發生變化，繼而對定子通風溝里的對流換熱系數產生影響。

依據計算流體力學理論，在計算出電機中的溫度場的基礎上，對安裝在不同位置的定子通風槽鋼分別進行了建模計算，分析了定子通風槽鋼的安裝位置對電機內溫度場的影響。如圖7所示，保持定子通風槽鋼長度不變，在此基礎上改變通風槽鋼靠近軸端的徑向位置，也就是改變了圖7中R的值，然后對不同情況下的計算結果作對比分析。

圖7　定子通風槽鋼近軸端的徑向位置Fig.7　Radial position of stator ventilation channelpari-axle terminal

為了分析方便，現取幾種情況下通風溝內同一位置處做具體分析。通過計算，得到定子通風槽鋼近軸端的徑向位置R取不同值時定子通風溝內流速的對比圖如圖8所示、定子通風溝內對流換熱系數的對比如圖9所示。

圖8　定子通風溝內流速的對比Fig.8　Comparison of stator ventilation ducts fluid velocity

圖8中從左至右依次為通風槽鋼在原位置時，即R分別為233、232、234、235、236 mm時定子徑向通風溝內的速度分布云圖，從圖中可以清楚的看到通風槽鋼的安裝位置對通風溝內流體的流速產生了較大的影響。當定子通風槽鋼安裝于于R=232時，通風溝內流體的流速相對于其他安裝位置來說小一些；而當安裝位置R=235、236時通風溝內流體的流速比其他時候要明顯大一些。

流速增加會使流體內部相對運動加強，從而使對流作用強烈，導致對流換熱加強，對流換熱系數也就增大了。從圖8中就可以看出，在各個通風溝內流體流速沿定子徑向高度不均勻分布，且沿槽中心線亦不對稱分布，通風溝里流速的不同導致了通風溝內的對流換熱系數發生了變化。

圖9中從左至右依次為通風槽鋼在原位置時，即R分別為233、232、234、235、236 mm時，定子徑向通風溝內對流換熱系數的對比。

圖9　定子通風溝內對流換熱系數對比Fig.9　Stator ventilation trench convective heat transfer coefficient

為了更加清楚的研究對流換熱系數的變化，現分別取R為233、232、235 mm等3種情況下通風溝內的線 HS、hs的對流換熱系數作對比分析，如圖10所示。

從圖10(b)、圖10(c)中可以發現流體從氣隙流入到定子徑向通風溝時與其接觸的表面的對流換熱系數變化劇烈，這是由于氣隙空氣具有的離心慣性導致流體流速迅速下降的結果，之后隨著徑向高度的增加，流體流通截面逐漸增大，對流換熱系數較為平穩。對比圖10(b)、圖10(c)可以發現，從通風溝不同入口處進入的冷卻氣體，接觸的固體表面的對流換熱系數并不相同。這是由于轉子的旋轉和通風槽鋼的擺放共同作用的結果，傳統上認為繞組兩側流體對稱的做法并不準確[5]。從圖10(b)、圖10(c)中看到，3種不同情況通風溝內相同位置的對流換熱系數發生了改變。這是因為高溫空氣回流入氣隙與具有離心慣性的氣隙空氣相互作用，會導致溫度升高，所以對流換熱系數會降低。

圖10　線HS、hs的位置示意圖及其對流換熱系數的對比分析Fig.10　Graph of the lines HS and hs position and analyzed the lines convective heat transfer coefficient

查閱相關資料可知，這主要是由于改變通風槽鋼安裝位置后，流體的流動發生了變化導致的。

YKK450-4、500 kW電機采用的是強制通風散熱的方式，該電機主要是通過熱傳導和對流換熱來進行散熱的。熱傳導是將定子鐵心、定子繞組和轉子導條等熱源內部的熱量傳至其表面，使之與冷卻介質相接觸，然后將熱量通過熱交換傳給冷空氣，最終由空氣將熱量帶走。影響電機內部熱傳導的因素就是電機內部的各導熱體的熱導率λ、熱傳導雙方的接觸面積以及溫差[11]。而定子通風槽鋼的安裝位置對這3個因素產生的作用是比較小的，所以此時電機內部對流換熱的變化就對電機內的溫度產生了影響。

圖11為徑向安裝位置R=233時電機內的絕對溫度云圖。圖12為定子通風槽鋼在不同安裝位置時定子繞組最高溫度對比圖。從圖中可以看到通風槽鋼的安裝位置R=235、236時電機內的最高溫升為376K，比通風槽鋼在原位置時的最高溫升降低了5 K，較原結構有明顯的改善。

圖11　電機內的絕對溫度云圖Fig.11　Absolute temperature inside the motor cloud

圖12　定子通風槽鋼在不同安裝位置時定子繞組最高溫度對比圖Fig.12　Comparison of the highest temperature in the stator windings of different installation position of the stator ventilation channel steel

3　結　論

本文應用流體力學和傳熱學理論, 通過對YKK450-4、500kW中型高壓異步電動機溫度場的計算，得到如下結論：

1)從通風溝不同入口處進入的冷卻氣體，接觸的固體表面的對流換熱系數是不相同的，不是傳統認為的繞組兩邊是對稱的。實際上通風溝內的流體的流動情況和溫度變化是非常復雜的，風速和風溫不是呈線性變化的。

2)定子通風槽鋼的安裝位置對定子通風溝的冷卻效果有較大的影響，這為電機通風冷卻系統的優化設計提供了理論依據。

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(編輯：賈志超)

Influence of stator ventilation channel on the temperature field in the middle-size high voltage motor

WEN Jia-bin1，HOU Jian1，YU Xi-wei2

(1.School of Electrical & Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China；2.Nanyang Explosion Protection Group Co.,LTD，Nanyang 473000,China)

According to the structural dimensions of the motor,a YKK450-4,500 kW medium high-voltage asynchronous motor is taken as an example to construct the 3D mathematical model and physical model of stator and rotor radial ventilation ducts with the adjacent core segment of the high voltage asynchronous motor.Based on the theoretical knowledge of fluid mechanics and heat transfer,assumptions and boundary conditions were given to conduct calculation of the simulation,and the temperature field of the calculated region were analyzed.Finally, under the condition that the length of the ventilation channel of the stator remained unchanged,and the radial position near the shaft of the stator ventilation channel was changed,the model of ventilation dutcs was remodeled to obtain the influence of the installation position of the stator ventilation channel on the temperature field in motor. The results show that radial position of the ventilation channel affects the cooling effect of the stator windings, which provides a theoretical basis to improve the thermal dissipation performance of the motor and the optimization design of the motor ventilation structure.

middle-size high voltage motor; fluid field; temperature field; ventilation channel steel; optimization design

2014-11-18

國家自然科學基金(51275137)

溫嘉斌(1961—)，男，博士，教授，研究方向為電機冷卻技術、電機及電機控制；

侯健(1991—)，女，碩士研究生，研究方向為電機多物理場耦合分析計算；

溫嘉斌

10.15938/j.emc.2016.08.006

TM 301.4

A

1007-449X(2016)08-0040-08

于喜偉(1988—)，男，博士，工程師，研究方向為高壓異步電機設計。