試論YKK系列中型高壓電機流體場與溫度場的計算

賈榮生

摘要：從上個世紀九十年代開始我國出現了第一批YKK系列中型高壓電機，因其具有較高的效率與性能，需要消耗的能源相對較少，并且產生的噪音與振動也相對較少，能夠較好地完成通風機、水泵等眾多機械的驅動工作，因此受到了機械工業以及相關領域的廣泛歡迎和使用。但由于電機本身具有十分復雜的結構，因此長期以來其始終無法有效解決運行升溫過高的問題。而本文將嘗試通過計算YKK系列中型高壓電機流體場與溫度場，希望能夠為解決這一問題提供相應參考數值。

關鍵詞：YKK系列；中型高壓電機；流體場；溫度場；計算

在科學技術水平飛速提升之下，用于數值計算方面的相關軟件越來越多，在有效提升數值計算效率的同時也使得計算結果變得更加精準、真實，因此本文將通過使用CFD軟件，完成計算YKK系列中型高壓電機中的流體場與溫度場的工作，并利用實驗驗證的方式對計算結果的真實性與有效性進行科學驗證。

一、建立三維計算模型

本文隨機算則一臺500kW且處于額定狀態下的YKK系列中型高壓電機作為樣機，建立起內風路流體場模型。在此過程中，筆者將選擇使用Gambit軟件，通過機座外壁與內部全部實體相減的方式完成電機內風路流體域模型的建立。鑒于之后需要耦合計算電機的流體場和溫度場，因此在Gambit軟件當中筆者將在交界面設置欄當中自動勾選流固耦合面，并將Fluent導入其中使得流固耦合面可以被分為Wall以及Wall Shadow這兩個面并通過對其進行進一步處理，使之可以成為Coupled邊界條件。當電機保持穩定運行的情況下，內部轉子、軸等會處于旋轉狀態，因此在進行三維計算模型建立時還需要選用z軸作為其旋轉軸。通過此種方式建立而成的流體域模型，會在Gambit中分別用Soild和Fluid表示中型高壓電機的固體和流體部分，但鑒于電機內部無法進行對稱流動，因此需要通過整體建模的方式用以完整展現出電機內部流體的實際流動情況。為方便接下來的耦合計算，本文將對建立起的三維計算模型進行進一步簡化，將求解電機溫度場的模型直接設置為通風溝及其兩側鐵心段，因此沿著旋轉軸的方向，本文所構建的模型有著9cm的厚度，機座的橫截面為標準的矩形形狀[1]。

二、劃分流體模型的網格

在劃分出電價當中需要計算的區域之后，需要進行離散處理，而在此之前則需要對流體模型進行網格劃分，也就是將原本連續的計算區域劃分成為若干子區域，從而使得離散之后，在每一個網格節點當中都能夠有效存儲離散之后的網格節點。但筆者發現，在實際計算電機流體場和溫度場的過程中，常常會在比較復雜的區域當中出現電機的流動問題以及傳熱問題，這也意味著需要劃分的計算區域往往是不規則的。因此通過結合現有的相關研究資料，筆者選擇使用非結構化的方式完成流體模型的網格劃分。首先需要進行交界面設置，即設置Interface面作為計算區域的交界面，用于負責整合各個面當中的相關數據，之后通過先表面后整體的順序劃分氣隙，用以完成對模型網格的劃分。但值得注意的是，在劃分過程中需要結合實際情況適當對部分網格進行加密處理[2]。

三、樣機流體場與溫度差的耦合計算

（一）耦合計算

本文選擇的計算區域為電機的徑向通風溝以及氣隙區域，具體來說就是所選樣機當中的第三個通風溝及其相鄰的鐵心段，通過采用上述方法進行模型建立和網格劃分之后，使用CFD軟件能夠對電機中各個部件包括定子鐵心與繞組、定子絕緣和槽楔以及轉子導條的平均溫度以及最高和最低溫度進行準確測量，在測量過程中我們可以得知在定子繞組位置處出現了381K的電機最高溫度，而由于轉子溫度本身并無較大的分布差異，因此其有著相對更加的通風散熱效果。

在計算定子溫度的過程當中，鑒于定子鐵心是由若干硅鋼片疊加而成，并且溫度分布存在較大差異，因此定子齒部的上下溫度也存在一定差異，其下部溫度要略高于上部，而在不斷增加的徑向高度影響下，溫度開始呈現出小幅小將的趨勢，這主要是由于其與繞組位置相距甚遠。經CFD軟件計算可得定子下層的繞組溫度可達381K左右，但上層繞組卻擁有更加理想的溫升以及冷卻效果，因此我們也可以推斷出此時流體未能保持對稱的流動、兩側壁面存在明顯溫差。

在隨后的徑向和定子通風溝的流體場溫度以及溫度場溫度計算當中，我們同樣可以發現，經由轉子幅板的冷卻氣體會在不斷向定子背部流動的過程中出現逐漸升溫的情況，經計算我們可以得知此時的溫度大約在343K左右，雖然看似溫升并不高，但實際上由于繞組有著較大的發熱量，因此使得其附近溫度得到迅速升高。而由氣隙流向定子徑向通風溝的流體，會在同固體表面進行接觸之后，產生比較搶了的對流換熱系數變化，并且根據徑向高度的不斷變化，流體的流通截面也會隨之出現相應的增加和縮小變化。

（二）仿真驗證

為進一步驗證CFD軟件對本文選取樣機流體場和溫度場計算結果的真實性，筆者將通過結合相關國家標準規定，測試在額定負載運行條件下的電機溫度，并通過計算出平均繞組溫度將其與理論上計算出的結果進行對比分析，如果兩者之間并無較大誤差，則代表理論計算值具有較好的真實性，而本文構建起的計算模型也具有較好的有效性。而通過相關仿真實驗，筆者發現理論計算值還是和實際檢測得到的數值之間存在一定差異，但由于本文在計算電機流體場和溫度場時為了方便計算，并沒有對通風和機械損耗進行考量，因此誤差值并不大，計算結果具有一定的真實性和有效性。

四、結語

總而言之，本文通過選擇一臺基于額定狀態下的YKK系列中型高壓電機，并為有效簡化計算過程、提升計算效率與結果的精準度，在建立相關三維計算模型之后，選擇使用專業的CFD軟件完成電機流體場與溫度場的計算。同時通過仿真實驗對計算結果進行分析驗證，了解到理論上的計算值與實際檢測值之間并無較大的誤差，因此進一步證明了本文設計的計算模型具有較高的精確性。

參考文獻：

[1]侯健.YKK系列中型高壓電機流體場與溫度場的計算分析[D].哈爾濱理工大學，2015.

[2]鄭軍.YKK中型高壓異步電機流體場與溫度場綜合計算[D].哈爾濱理工大學，2016.