電機冷卻多物理場耦合計算及模板開發

蘇詩湖,鄭國麗,豐帆,周巍

(中車株洲電機有限公司，湖南株洲412000)

?

電機冷卻多物理場耦合計算及模板開發

蘇詩湖,鄭國麗,豐帆,周巍

(中車株洲電機有限公司，湖南株洲412000)

以電機溫升計算的重要性為出發點，介紹了電機冷卻設計的計算內容和熱交換的分析方法，并對等效熱路法和CFD方法進行了比較；并以某發電機為例，介紹了電機電磁場和溫度場的耦合分析并進行了試驗驗證；概述了模板定制開發的作用。所提出的理論和分析方法對電機冷卻設計具有一定的參考價值。

電機冷卻；數值仿真；多物理場；模板開發

0 引言

電機溫升是電機設計過程中的關鍵項目之一，正確分析和計算電機各部件的溫升，掌握電機內的溫度分布，不僅可以保證在設計階段及時優化電機設計方案，并且可為電機的安全、高效運行奠定堅實基礎。本文介紹了電機內熱交換的分析方法，并針對熱路法和CFD分析方法進行了對比分析。近年來計算機模擬分析已經成為國內外技術創新的重要手段，其中CFD分析方法已經貫穿于電機產品研發的全過程，不僅應用到產品設計流程的前端為產品設計提供強力支撐，同時也應用于產品設計的后期驗證，提升了產品的市場競爭力，為企業帶來了顯著的經濟效益。

電機是一個集電氣、機械、動力學、傳熱等眾多學科于一體的復雜系統，各學科之間相互關聯、相互影響。在電機產品研發設計階段，電機磁路計算、性能計算、通風散熱計算、結構強度計算、轉子動力學分析等都有專門的仿真軟件進行分析計算，各學科獨立計算，忽略相互之間的影響因素可能導致數據傳遞中出現誤差，或計算結果與實際情況出現偏差。因此電機多物理場的耦合計算逐漸被引入和推廣，如：電機電磁-通風散熱耦合分析，電機熱-結構應力變形分析，電機結構振動-噪聲分析，電機氣動-噪聲分析等。本文著重介紹電機電磁與通風散熱的耦合分析，并舉例說明耦合計算過程及其結果驗證。除此之外，本文還對電磁與通風散熱耦合分析的模板開發進行詳細說明。多物理場耦合分析和模板開發對拓展各專業學科應用的廣度和工程應用的深度都有重要作用。

1 電機內熱交換分析方法

電機運行時要產生各種損耗，這些損耗都轉變成熱能使電機各部分的溫度升高。對電機繞組而言，國家標準規定的溫升限值基本取決于其絕緣系統所允許的最高溫度和冷卻介質的溫度。電機繞組絕緣系統所采用的材料，其機械、電氣、物理等性能隨溫度的升高逐漸變壞，當溫度升高到一定程度時，絕緣系統就失去絕緣能力導致電機燒損或燒毀，因此保證合理的電機溫升是電機設計過程中關鍵的一部分。隨著電機向大容量、小型化、低成本、高效能發展，改進電機冷卻系統，降低電機溫升變的尤為重要。

電機溫升計算主要包括幾個部分

(1)計算電機所需冷卻介質總的體積流量

(2)計算冷卻系統內的流阻和風阻，為了保證循環風量，采用的風扇需提供足夠的壓頭，同時要保證風扇與冷卻系統的匹配性，避免運行時機械損耗過大導致電機效率降低；

(3)電機熱交換裝置(包括冷卻器、冷卻水道等)的設計；

(4)風量分配和傳熱計算，使電機各發熱部件具有合適的溫升。

目前電機最常用的兩種熱分析方法分別為等效熱路法和CFD分析方法。等效熱路法是利用傳熱學和電路理論的相似性把溫度場簡化為帶有集中參數的熱路來進行計算，把分布的真實熱源和熱阻用集中的熱源和熱阻代替，形成等效熱路，該方法計算量相對較小，但是只能近似估算熱阻的平均溫升。等效熱網絡法是把熱路法的參數和熱源進行局部分布參數化，應用圖論原理，通過網絡拓補結構進行熱場分析的一種方法。

CFD分析方法[4,5]是將電機內連續的物理量場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關于這些離散點上場變量之間關系的代數方程組，然后求解代數方程組獲得場變量的近似值。CFD方法也可看做是在流動基本方程如質量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程的控制下對流動的數值模擬。通過這種數值模擬，可以得到電機流場內各個位置的基本物理量如速度、壓力、溫度等分布，并據此算出相關物理量從而進行結構優化。

采用等效熱路法計算電機的溫升，必須知道電機各部件表面對流換熱系數，而影響換熱系數的因素很多，不容易精確計算，因此在實際設計電機時，換熱系數經常按經驗公式獲得，使計算結果存在較大誤差。此外對于通風系統復雜的電機，電機定轉子有多個通風道，既有內外風扇又有冷卻器的情況，準確的分析等效熱路并計算電機內熱傳遞具有很大的難度。基于計算流體動力學原理，對電機的流場、溫度場進行數值模擬相比于熱路法具有以下優點：(1)流體與固體共軛換熱，無需計算散熱系數，減少了計算誤差；(2)冷卻介質的流量分配，壓力分布、風道阻力以及流線、流速、矢量方向均可顯示和輸出，用于結構優化設計；(3)能夠獲得電機各部件的溫度分布情況和某一點的具體溫升，并據此降低最高溫度、改善溫度分布均勻性。

2 電機電磁場和通風散熱耦合分析

電磁場和溫度場的耦合，主要體現在電機溫度場計算中熱源的施加方式上。電機的熱源(損耗)主要來自于電機運轉過程中磁場的作用，一般情況下，熱源的損耗分布并不是完全均勻的，而是根據幾何位置的變化而變化，并且雜散損耗的具體分布位置很難給定，往往根據經驗計算。為了能更好地模擬真實的損耗分布，將電磁的損耗計算結果直接施加在溫度場計算的熱源上，通過兩者的耦合來保證電機溫度場的計算盡可能地接近真實情況。本文以某風力發電機為例，介紹耦合方法，并將計算結果與試驗值進行對比分析，電機結構如圖1所示。

圖1 電機三維結構圖

考慮電機的結構特點和通風系統既不存在對稱性也不存在周期性，因此溫度場計算模型為電機整機的三維模型，而電機電磁場計算模型為二維模型，電磁場損耗分布如圖2所示。

圖2 電磁場損耗計算

盡管兩個模型幾何維度不同，但是電機發熱部件包括定轉子鐵心、導條以及繞組直段部分軸向結構完全相同，可認為是二維模型拉伸而成，因此只需要把二維的熱源耦合數據沿軸向擴展到三維結構就可以實現耦合，而定子繞組端部和轉子端環的熱源值是均布的，計算時可直接在相應的計算域內施加熱流密度。耦合的基本思路分以下幾步：(1)導出溫度場計算模型中熱源的幾何坐標；(2) 在Maxwell電磁計算模型中導入上述坐標，插值計算出對應坐標的損耗值；(3)將損耗值導回溫度場計算模型中，并通過自定義函數施加在對應坐標上。經計算通過耦合方法輸入的熱源值與試驗值相對誤差小于10%，在工程允許范圍內，并且將溫度的計算結果與試驗值進行比對，對比結果見表1。

表1 仿真計算結果與實測值對比

結果表明，計算值與試驗值的相對誤差均在工程允許范圍內，證明計算方法可行。通過耦合方法計算得到的電機溫度分布如圖3、圖4所示。

圖3Y-Zplane的溫度云圖

圖4X-Zplane的溫度云圖

3 模板開發應用

電機通風散熱仿真分析模板開發是基于Fluent軟件原有功能，利用二次開發語言-scheme語言將特定分析過程的方法步驟、標準規范、經驗和知識歸納封裝后定制開發的專業分析向導化工具，如圖5所示。通過模板后臺的參數設定和操作提高了仿真分析的效率和能力，實現資源利用的最優化，提高資源利用效率和計算效率。

圖5 模板向導示意圖

電機通風散熱仿真模板是根據電機通風散熱仿真分析流程定制的向導化工具。若對電機整機進行仿真計算，由于電機結構復雜、部件多，電機整體的三維建模和網格剖分難度大，通常在前期處理過程中將電機分成很多的區域，將區域和邊界命名規范化，使系統自動識別各個區域和邊界，通過向導的形式引導用戶快速完成模型的批量導入、交界面自動區分并且自動設置、材料的自定義施加、動域的選擇設置、對流壁面和傳導壁面的設置、均值熱源工況的設置、耦合熱源工況文件的生成及設置、求解和后處理以及生成仿真報告功能，實現高效的仿真分析。電機通風散熱仿真模板為仿真人員提供更為方便、具體的專用分析導航，可以更加符合用戶的需求，滿足特定行業的特定需要。

4 結語

(1)根據電機內熱交換的分析方法對比可知，相比于熱路法，數值仿真方法能夠輸出電機內流場的各個物理量，獲得電機各部件的溫度分布情況和某一點的具體溫升，通過分析顯示和輸出的計算結果可以對電機結構進行優化設計。

(2)電機電磁場和溫度場的耦合分析，能夠更好的模擬真實的損耗分布，減少計算結果誤差。通過計算值與試驗值的驗證，證明了計算方法的可行性。

(3)基于特定行業的仿真分析流程定制模板，可以滿足用戶的需求，并且提高了資源利用效率和計算效率，實現了資源利用的最優化。

[1] 丁舜年. 大型電機的發熱與冷卻[J].北京: 科學出版社,1992.

[2] 魏永田, 孟大偉,溫嘉斌. 電機內熱交換[M].北京:機械工業出版社, 1998.

[3] А·И·鮑里先科, В·Г·單科, А·И·亞科夫列夫. 電機中的空氣動力學與熱傳遞[M].魏書慈，邱建甫譯. 北京：機械工業出版社, 1985.

[4] 王福軍. 計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M].北京: 清華大學出版社, 2004.

[5] 陶文銓. 數值傳熱學[J].西安: 西安交通大學出版社, 2001.

Coupling Calculation and Template Development for Multi-Physical Field of Motor Cooling

SuShihu,ZhengGuoli,FengFan,andZhouWei

(CRRC Zhuzhou Electric Machine Co ., Ltd ., Zhuzhou 412000, China)

Starting from the importance of temperature-rise calculation of motor, this paper introduces the calculation content of cooling design and the analytic method of heat exchange, and compares equivalent thermal circuit method with CFD method. And then taking a generator as an example, this paper introduces the coupling analyses of electromagnetic field and temperament field of the generator and conducts experimental verification. Finally, this paper summarizes the function of custom-developed template. The above theory and analysis method have a certain reference value for cooling design of motor.

Motor cooling；numerical simulation；multi-physical field；template development

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.07

TM301.4+

蘇詩湖 男 1983年生；畢業于武漢輕工業大學，華中科技大學電機與電器專業在讀碩士研究生，現從事高效節能電機研發工作.

2016-05-05