牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)的溫度場分析

劉冠芳， 張　潔， 張山弟， 孟潔瑞

(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司， 山西永濟(jì) 044502)

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牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)的溫度場分析

劉冠芳， 張潔， 張山弟， 孟潔瑞

(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司， 山西永濟(jì) 044502)

建立牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)溫度場分析的CFD模型，介紹了絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)測試試樣的制作和測試方法，對不同類型的少膠云母帶隨溫度變化的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測試，并使用通用流體計算軟件對異步牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)的溫度場進(jìn)行了仿真計算，得到了電機(jī)整體及絕緣系統(tǒng)的溫度場分布圖，結(jié)果證明定子線圈絕緣層表面溫度與線圈內(nèi)部導(dǎo)線溫度差因所處的位置不同而不同，最高溫差可到達(dá)11℃，這種絕緣系統(tǒng)的溫度場分析結(jié)果為絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)。

牽引電機(jī)； 溫度場； 絕緣系統(tǒng)； 導(dǎo)熱系數(shù)

電機(jī)溫升是電機(jī)運(yùn)行的重要指標(biāo)，直接影響到電機(jī)壽命和運(yùn)行可靠性[1]，溫度過高會使整個定子燒毀或使定子繞組絕緣損壞而引起股間短路，造成極大經(jīng)濟(jì)損失；相反如果溫度過低，會造成銅、鐵、絕緣等材料的浪費(fèi)，增加電機(jī)制造成本。因此，計算電機(jī)及絕緣系統(tǒng)的熱場對電機(jī)的設(shè)計和運(yùn)行具有重要的指導(dǎo)意義。

本文建立了適用于牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)溫度場分析的模型，并對絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行了測試，通過通用流體計算軟件分析得到牽引電機(jī)整體及絕緣系統(tǒng)的溫度場分布。

1　絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)測試

導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)態(tài)傳熱條件下，1 m厚的材料兩側(cè)表面的溫度差為1℃，通過1 m2面積所傳遞的熱量，單位為W/(m·K)。導(dǎo)熱系數(shù)與材料的組成、結(jié)構(gòu)、密度、含水率、溫度等因數(shù)有關(guān)。電機(jī)絕緣系統(tǒng)由多種材料復(fù)合而成，其導(dǎo)熱系數(shù)的確定對于熱仿真計算分析的正確性非常重要，需對電機(jī)所涉及的絕緣材料進(jìn)行制樣和測試分析。

1.1試樣尺寸

測量所需試樣須為端面平行而光滑的片狀固體材料，內(nèi)部材質(zhì)均勻。通過加工將其制備成端面平行光滑的試樣。可選形狀一般包括圓片與方片，相對而言圓形樣品較為標(biāo)準(zhǔn)，水平各方向上邊界條件一致，徑向熱流較均勻，較易修正。

在傳熱分析中，熱擴(kuò)散系數(shù)是熱導(dǎo)率與比熱和密度的乘積之比。它表示物體在加熱或冷卻中，溫度趨于均勻一致的能力。根據(jù)不同的樣品材料的熱擴(kuò)散系數(shù)選擇合適的樣品厚度。一般的建議值如下：對于高導(dǎo)熱材料，熱擴(kuò)散系數(shù)>50 mm2/s(如金屬單質(zhì)、石墨、部分高導(dǎo)熱陶瓷等)，建議厚度2～4 mm。對于導(dǎo)熱較差材料，熱擴(kuò)散系數(shù)在1～50 mm2/s之間(如大部分陶瓷、合金等)，建議厚度1～2 mm。

由于文中所測材料為絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)較小，因而可以選擇厚度較小的試樣，所有試樣的尺寸大約都在φ12.5 mm×1 mm的圓片狀試樣。

1.2試樣制作

為了更準(zhǔn)確的反映絕緣結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱系數(shù)，測試所有材料浸漆后的導(dǎo)熱系數(shù)。將不同材料疊成1 mm左右，用層壓板夾緊，浸漆后用雕刻機(jī)制作成標(biāo)準(zhǔn)試樣，這種方法不適用于薄膜。

1.3測試及計算方法

使用熱分析儀器DSC和LFA進(jìn)行對比熱和熱擴(kuò)散系數(shù)進(jìn)行測試。

用比熱軟件對DSC試驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算和分析，來測定物質(zhì)的比熱。運(yùn)用公式：

(1)

式中：CP,s(t)為在溫度t時的樣品比熱，J/(kg·K)；CP,std(t)在溫度t時的標(biāo)樣比熱，J/(kg·K)；Mstd為標(biāo)樣質(zhì)量；mg；Mstd為樣品質(zhì)量，mg；DSCt(t)為在溫度t時樣品曲線的DSC信號,UV；DSCstd(t)為在溫度t時標(biāo)樣曲線的DSC信號,UV；DSCb1(t)為在溫度t時基線的DSC信號,UV。

最后根據(jù)公式：導(dǎo)熱系數(shù)=熱擴(kuò)散系數(shù)×比熱×密度，計算出導(dǎo)熱系數(shù)。

1.4測試結(jié)果

不同材料浸相同的絕緣漆后的導(dǎo)熱系數(shù)測試結(jié)果如下：

從測試結(jié)果可以看出絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)是隨著溫度的變化而變化的，變化范圍比較小，不同補(bǔ)強(qiáng)方式的云母帶的導(dǎo)熱系數(shù)不同，隨溫度的變化趨勢也不同。圖1和圖2中的試樣厚度是相同的，可以看出低溫時聚酰亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)的少膠帶的導(dǎo)熱系數(shù)大于聚酯薄膜補(bǔ)強(qiáng)的少膠帶，這主要是因?yàn)榫埘啺繁∧さ膶?dǎo)熱系數(shù)高于聚酯薄膜；玻璃布補(bǔ)強(qiáng)的少膠帶和雙面補(bǔ)強(qiáng)的少膠帶的低溫導(dǎo)熱系數(shù)基本相同，高溫時雙面補(bǔ)強(qiáng)的少膠帶導(dǎo)熱系數(shù)較高。

圖1　聚酰亞胺薄膜補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶導(dǎo)熱系數(shù)

圖2　聚酯薄膜補(bǔ)強(qiáng)少膠云母帶導(dǎo)熱系數(shù)

圖3　玻璃布補(bǔ)強(qiáng)的少膠云母帶的導(dǎo)熱系數(shù)

圖4　薄膜和玻璃布雙面補(bǔ)強(qiáng)少膠帶導(dǎo)熱系數(shù)

2　流動換熱仿真模型建立

2.1建立三維模型

在分析軟件中直接建立幾何模型過程比較復(fù)雜，操作步驟繁瑣，而且有些功能不夠全面，因而一般不會在分析軟件中直接建立幾何模型，而是導(dǎo)入外部的模型。本文計算的電機(jī)包括定子鐵芯、定子線圈、轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條模型。

2.2模型簡化

鑒于電機(jī)實(shí)際幾何模型比較復(fù)雜，其中又包含許多具有尺寸較小的部件，若按照原始幾何模型在流體仿真軟件中建立模型，將會耗費(fèi)巨大的存儲和計算資源，因此需要對原始幾何模型進(jìn)行一定的等效簡化：

(1)忽略轉(zhuǎn)子導(dǎo)條和鐵芯間的接觸熱阻；

(2)在電機(jī)處于穩(wěn)態(tài)，電機(jī)轉(zhuǎn)軸忽略不計；

(3)在電機(jī)表面散熱處理時，為了簡化分析，對機(jī)殼外輪廓結(jié)構(gòu)做一定的等效簡化處理；

(4)忽略軸向熱流密度。

2.3建立計算網(wǎng)格

在網(wǎng)格劃分時，可以根據(jù)需要選擇是否需要精細(xì)剖分還是粗剖分，對于仿真分析需要深入研究的區(qū)域或者流動傳熱變化劇烈的地方需要細(xì)致剖分，而對電機(jī)表面等溫度變化緩慢的地方則不需要細(xì)分，剖分工作的效率取決于計算機(jī)硬件系統(tǒng)，剖分越細(xì)，做需要離散數(shù)據(jù)處理越多，因而計算機(jī)耗時也就越多[2]。同時網(wǎng)格的處理還需結(jié)合電機(jī)運(yùn)行工況、計算模型穩(wěn)定性、計算精度做相應(yīng)的調(diào)整。對建立好的幾何模型劃分網(wǎng)格，由于求解區(qū)域的復(fù)雜性，采用結(jié)構(gòu)化的六面體(Hex)與多面體(Poly)網(wǎng)格相結(jié)合的方式。

圖5　電機(jī)模型網(wǎng)格剖分圖

2.4損耗計算

電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過程中不可避免地要發(fā)生機(jī)械摩擦，渦流等損耗，從而導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱、溫度升高。產(chǎn)生電機(jī)損耗的原因根據(jù)部位劃分主要有以下幾種：

(1)鐵芯損耗[3]

由于磁場的變化導(dǎo)致鐵芯產(chǎn)生渦流，這不僅包括主磁場的變化，也包括諧波磁場在定轉(zhuǎn)子中引起的損耗，其中漏磁也占有一定的比例：

(2)

(3)

其中：

Ph為磁滯損耗,kW；PW為渦流損耗,kW；f為頻率MHz；Bm為磁通密度, Wb；V為硅鋼片體積,m3；ρ硅鋼片電阻率,(Ω·m)；d為硅鋼片厚度,m；K為常數(shù)。

(4)

式中：CFe為鐵芯損耗系數(shù)，由工程經(jīng)驗(yàn)決定；G為質(zhì)量kg。

(2)繞組損耗

處理電流繞組產(chǎn)生的基本損耗，還有電刷和換向器之間的接觸損耗與漏磁場和諧波磁場在繞組中產(chǎn)生的銅耗：

(5)

式中I為繞組電流，A；R為繞組電阻，Ω；M為繞組相數(shù)。

(3)機(jī)械損耗

電機(jī)中軸承摩擦，電刷摩擦，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)和氣隙流體之間的摩擦屬于機(jī)械摩擦，在電機(jī)損耗中不容忽視。

2.5溫度場的建模方程

溫度場的建模方程為質(zhì)量、動量以及能量守恒方程，如下所示：

質(zhì)量守恒方程：

(6)

動量守恒方程：

(7)

能量守恒方程：

(8)

式中ui為速度；E是總焓；μt湍流黏性系數(shù)；Prt湍流普朗特數(shù)；T為溫度。

2.6材料屬性

在計算過程所需要的材料屬性如表1所示：

表1　材料屬性

3　牽引電機(jī)及絕緣系統(tǒng)的熱場計算

3.1溫度場仿真計算結(jié)果

分別取線圈端部、引線以及直線部分的點(diǎn)的仿真計算結(jié)果如下：

位于線圈端部的絕緣層的溫度低于導(dǎo)線的溫度，位于鐵芯部分的絕緣層溫度高于線圈溫度。這是由于：

(1)由于在端部空氣冷卻絕緣層，熱量自導(dǎo)體向外傳遞；

(2)定子鐵芯本身存在損耗而產(chǎn)生溫度，該溫度高于導(dǎo)線溫度，其熱量通過絕緣層向?qū)w內(nèi)部傳遞；

(3)進(jìn)口端部溫度低于出口端部是由于進(jìn)口空氣溫度低于出口部分。

圖6　定子線圈溫度分布圖

圖7　線圈絕緣系統(tǒng)的溫度分布圖

表2　絕緣系統(tǒng)的溫度場分布　℃

表3　試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果對比　℃

3.2試驗(yàn)與仿真對比

由于絕緣系統(tǒng)的溫度點(diǎn)再試驗(yàn)過程不容易采集，因

此使用其他部分進(jìn)行對比。

從兩組數(shù)據(jù)可以看出：

(1)在相同通風(fēng)量條件下，兩者的進(jìn)出口溫差基本相同；

(2)傳動端與非傳動端的試驗(yàn)數(shù)據(jù)測得的是某一點(diǎn)的數(shù)據(jù)，而仿真值為這些區(qū)域的體積平均值，故存在誤差；

(3)鐵芯溫度試驗(yàn)值低于仿真值，其原因?yàn)闇y試鐵芯溫度的熱電偶為鎧裝PT100，其與鐵芯接觸面存在接觸熱阻引起溫差。故鐵芯接觸面溫度要高于測試值；

(4)由于絕緣層導(dǎo)熱系數(shù)實(shí)際上是隨溫度發(fā)生變化的，而仿真為了簡化工作量將該值設(shè)為常數(shù)，所以仿真結(jié)果亦存在一定的誤差。

4　結(jié)束語

本文介紹了絕緣材料導(dǎo)熱系數(shù)測試試樣的制作方法，通過該方法得到了常用絕緣材料的導(dǎo)熱系數(shù)，同時建立電機(jī)絕緣系統(tǒng)溫度場分析模型，并對異步牽引電機(jī)絕緣系統(tǒng)的溫度場進(jìn)行仿真，結(jié)果表明：

(1)導(dǎo)熱系數(shù)是隨著溫度變化的，變化范圍不大；

(2)定子線圈絕緣層表面溫度與線圈內(nèi)部導(dǎo)線溫度差因所處的位置不同而不同，原因是熱量傳導(dǎo)方向不同；

(3)絕緣系統(tǒng)的溫度場分析結(jié)果為絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了依據(jù)，雖然試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果還存在差異，但通過原因分析，能夠指導(dǎo)后續(xù)的仿真分析工作。

[1]楊麗偉，張奕黃.異步牽引電機(jī)的溫度場分布[J].大電機(jī)技術(shù),2008, (3):4-7.

[2]張洪亮.永磁同步電機(jī)鐵芯損耗與暫態(tài)溫度場研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2010.

[3]馬路.感應(yīng)電機(jī)磁場和熱場的分析[D].阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué),2013.

Analysis on Temperature Field of Traction Motor Insulation System

LIUGuanfang，ZHANGJie，ZHANGShandi，MENGJierui

(CRRC Yongji Electric Co.， Ltd.,Yongji 044502 Shanxi, China)

The CFD model of temperature field analysis of traction motor insulation system is established in this paper. The paper introduced the insulation material coefficient of thermal conductivity test sample production and test methods, and the use of general fluid calculation software for asynchronous traction motor insulation system simulation on temperature field, finally achieved the temperature field distribution of the motor and the insulation system. Results show that the stator coil insulation surface temperature and internal wire coil temperature difference varies because of the position, the highest temperature difference can be reached 11 k, the results of temperature field analysis provide a basis for insulation structure design.

traction motor; temperature field; insulation system; coefficient of thermal conductivity

1008-7842 (2016) 03-0143-04

??)女，工程師(

2015-12-18)

U264.1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.32