電機定子繞組端部建模方法對熱流場仿真結果影響分析*

王永青, 余中軍, 姜亞鵬, 高 強

(1. 海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,湖北 武漢 430033;2. 海軍駐武漢712所軍事代表室，湖北 武漢 430070)

電機定子繞組端部建模方法對熱流場仿真結果影響分析*

王永青1, 余中軍1, 姜亞鵬1, 高 強2

(1. 海軍工程大學 艦船綜合電力技術國防科技重點實驗室,湖北 武漢 430033;2. 海軍駐武漢712所軍事代表室，湖北 武漢 430070)

電機溫升是影響電機性能和運行可靠性的主要元素之一，溫度校核已成為電機設計過程中的重要環節。目前大多采用電機三維溫度場仿真方法，但是因電機端部繞組結構復雜，熱流場耦合性強，對計算結果準確性影響較大。建立3種定子繞組端部建模簡化方式，使用Fluent仿真軟件平臺對某感應電動機熱流場進行了仿真計算及分析。結果表明，建模時可以將定子端部繞組簡化為拉直向上彎折的二維結構，這種簡化方式兼具建模時間短、仿真精度高等優點。所得結論對快速進行電機熱流場仿真、縮短電機設計周期有一定的參考作用。

感應電動機；溫度場；端部繞組；簡化模型

0 引 言

電機設計的基本規律說明，單機容量越大，其經濟性能越好。電機功率越大，電機的發熱將愈發嚴重，溫升成為限制容量增長的主要障礙[1]。隨著電機容量、功率密度的不斷提高，冷卻系統的優化設計越來越受到人們的重視。

電機溫度場計算結果的準確性是電機冷卻系統優化設計的前提。目前主要有兩種計算方法：等效熱網絡法和數值計算法。等效熱網絡法用集中熱源和等值熱阻代替真實熱源和熱阻，模仿電路理論建立等效熱路法，其工作量小，計算速度快，但是只能得到電機某個部分的平均溫度，無法獲取最高溫度點。數值計算法依據熱交換定律，用微分方程將電機內的熱交換現象表示出來，采用數值方法求解微分方程組。該方法可以考慮復雜的電機結構，計算精度高，并且可以計算出電機中的溫度分布，找出局部過熱點，有利于合理布置冷卻系統和故障點的精確定位[2]。數值計算法主要分為幾何建模、網格剖分、求解器計算和后處理四個步驟。隨著計算機性能的提高，求解器計算時間已經大大減少，但是進行幾何建模和網格剖分仍需花費大量時間，并且需要一定的經驗和技巧。電機設計初始階段，設計方案改動較多，每次精確建?；ㄙM大量時間和精力，影響電機的研制進度，因此建模時需要對電機部分復雜結構進行合理簡化。端部繞組結構復雜，按照實際繞組結構進行建模比較困難，并且劃分網格數量比較大，影響電機設計效率。

本文以一臺大容量感應電動機為對象，建立此電機的三維計算模型。使用Fluent仿真軟件平臺計算其熱流場分布，分析端部繞組建模的不同簡化方式對電機熱流場的影響，為今后電機熱流場計算時模型的合理簡化提供依據。

1 建立模型

1.1冷卻系統結構

該電機定轉子鐵心設有徑向通風溝，采用兩邊對稱徑向通風。冷卻空氣進入電機后，氣流分為三路：一路經定子端部繞組直接進入定子鐵心背部；一路直接進入氣隙；另一路經定子端部繞組向下從轉子端環下進入轉子支架，經過轉子鐵心徑向通風溝，與進入氣隙的氣流匯合進入定子徑向通風溝。三路氣流在定子背部匯合，從背部出風區排向換熱器[3]。

為節省計算資源，根據電機本身所具有的對稱特性，對電機模型進行簡化處理：軸向對稱取半，圓周方向的簡化根據定轉子槽數之比確定了最小周期性單元、取整個圓周的1/42，取半后的仿真模型共有11個通風溝。電機實際模型如圖1所示。

圖1 電機的物理模型

1.2端部繞組簡化

定子端部繞組空間結構較為復雜，本文選取三種簡化方式，分別給定相同的條件進行計算，如圖2所示。方案1將定子繞組拉長成直線段，這種方案建模時間短、網格質量高，缺點是建模軸向長度過長，與實際情況相差較大。方案2將槽內直線段拉伸一小段后向上彎曲成矩形框，但是仍然保證上下層線圈在一個平面。這種方案將端部繞組簡化成二維結構，保證端部繞組軸向長度與實際電機相等。方案3對繞組三維結構精確建模，槽內的上下層線圈分別與不同槽內的上下層線圈連接。這種方案建模時間長，網格劃分需要一定的經驗和技巧，網格數量多、計算時間長。

圖2 端部繞組三種簡化方案

1.3端部繞組建模

端部繞組的建模需要注意絕緣層的處理，絕緣材料一般為絕熱材料，導熱系數為0.1～0.3 W/(m·K)，對其合理的等效是準確計算電機溫度場的關鍵[4]。該電機定子繞組采用雙層整距集中繞組形式，繞組內部的銅心多為多層銅線疊加而成，且每層線圈均包裹有絕緣材料。建模時將繞組簡化成其最外緣包裹一層絕緣層，并使散熱面積相同,如圖3所示。

圖3 定子繞組等效絕緣層

槽絕緣中含有絕緣漆、浸漬漆、絕緣紙等多種絕緣材料，很難直接準確地計算繞組等效絕緣層的導熱系數[5]。等效導熱系數λev的計算方法為

式中:δi——各絕緣材料的等效厚度；

λi——各絕緣材料的等效導熱系數。

通過式(1)的計算，并結合計算經驗，定子繞組等效絕緣層等效導熱系數λev為0.2 W/(m·K)。

2 熱流場的數值計算

2.1溫度場計算基礎

對于各項異性介質，直角坐標系下三維導熱偏微分方程為[6]

式中:T——物體的溫度；

t——時間；

kx、ky、kz——x、y、z方向的導熱系數；

ρ——材料的密度；

c——材料的比熱；

qv——熱源的發熱密度。

對于穩態溫度場，溫度不隨時間變化，即?T/?t=0，考慮到邊界條件，對導熱微分方程的求解可以歸為一個邊值問題：

式中:S1——物體邊界；

T0——已知邊界面的溫度；

k2——垂直于界面S2的熱傳導率；

q——通過界面的熱流密度；

k3——垂直于界面S3的熱傳導率；

Tf——冷卻介質的溫度；

α——發生在界面S3上物體與冷卻介質的對流換熱系數。

2.2流場計算基礎

根據流體動力學的基本原理，在直角坐標系中可以寫出相應的流體通用控制方程[7]：

式中:u——速度矢量;

ρ——流體密度；

Φ——通用變量，對于不同的控制方程，可以分別代表脈動動能、能量耗散率等求解變量；

?！獜V義擴展系數；

S——廣義源項。

2.3計算假設與設置

為簡化計算過程，本文作如下假設：(1)忽略機殼與空氣的自然對流換熱以及機殼的輻射散熱。(2)電機內部流道的空氣流速遠小于聲速，即馬赫數Ma很小，將空氣作為不可壓縮流體來處理。(3)定子鐵耗在定子齒部和軛部平均分布。(4)各組件接觸良好，接觸熱阻為零。(5)定子銅損耗在上下層線棒平均分布[8]。

計算時選用標準k-ε湍流模型，所有網格節點的離散方程組采用分離、隱式求解，其中，壓力與速度耦合方程采用SIMPLE算法，方程均采用二階迎風格式離散[9]。

3 計算結果

應用Fluent仿真軟件平臺，利用三種計算模型對電機溫度場流體場進行仿真分析，多次迭代計算收斂后獲得最終結果。電動機定轉子各部分的溫度、定子背部風量和電機風壓仿真結果如表1所示，計算時假設電機運行處于穩態，單邊進風量10 m3/s，冷卻空氣進口溫度40 ℃。

從表1可見，三種模型計算出的定轉子和鐵心的溫度均滿足電機F級考核要求。對于各部件最高溫度值，方案2和方案3計算結果符合較好，差值在3 K以內。定子鐵心冷卻效果較好，最高溫度為104～108 ℃，平均溫度為71～73 ℃。轉子鐵心和轉子導條主要依靠風冷，轉子鐵心最高溫度與平均溫度相差18 K以內，轉子導條最高溫度與平均溫度相差8 K以內。

表1 三種建模方案溫度場計算結果

假設并聯的3條風路對應的風阻分別為Z1、Z2、Z3，電機端部繞組對應的風阻為Zd，則電機的總風阻Zt可以由式(5)表示[10]：

電機定轉子尺寸固定，三種模型假設的背部通風面積也相同，因此3條風路對應的總風阻相同。不同的端部繞組建模方式導致氣流經過端部繞組時的風阻Zd略有不同，因此三種計算模型對應的總風阻Zt略有不同。假設電機的風壓為p，冷卻空氣單邊進風量為Q，則二者與總風阻Zt的關系由式(6)表示：

三種計算模型的冷卻總風量Q相同，因此不同的總風阻Zt對應著電機風壓p略有不同。這與流體場仿真結果是相符的。

圖4為計算模型中截面流體場分布圖。電機內最高風速為44～47 m/s。定子背部擋風板增設有通風孔，氣流經過此處相當于進入“漸縮管”，速度增加[11]。進入轉子支架內空氣流速較小，因此定轉子各個徑向通風溝內氣體流速差別不大，散熱效果相當，定子鐵心溫度分布較為均勻。端部繞組上方出現渦流，冷卻風量有所損失，可以通過增設擋風板解決此問題。

圖4 三種端部繞組簡化模型流體場分布

圖5 三種端部繞組簡化模型溫度場分布

圖5為使用三種模型計算得到的定子鐵心和定子繞組溫度場分布圖。該型感應電動機最高溫升出現在端部繞組。方案2繞組最高溫度出現在定子繞組下層，出現位置與方案3略有不同。這是因為方案2建模后下層繞組折角處形成氣流“死區”，導致下層繞組與冷卻介質對流換熱變差，因而出現局部溫度較高。從電機最高溫度值的計算結果來看，方案2和方案3相差較小。從溫度場云圖來看，方案1定子鐵心溫度計算值偏低，與方案2和方案3相差較大。這是因為將端部繞組拉直后，端部繞組的風阻變小，使得進入定子鐵心背部的風量增加，定子鐵心軛部冷卻效果得到加強。

從三種方案的計算結果來看，電機內部熱流場的耦合比較強。端部繞組建模時的不同簡化方式，直接影響電機內部流場的分布，進而影響著各部件與冷卻空氣的對流換熱效果，因此會對電機溫度場計算的準確性造成一定的影響。從電機各部件具體的溫度計算結果來看，結合電機三維熱流場分布云圖，方案2和方案3計算結果吻合較好，可以選用方案2作為定子繞組端部建模簡化方案。

4 結 語

本文針對一臺感應電動機使用3種模型對其定轉子的三維溫度場流體場進行了仿真分析，比較了不同端部繞組建模簡化方案對電機熱流場仿真的影響。計算結果表明，將定子端部繞組簡化為拉直向上彎折的二維結構對計算結果影響較小。這種簡化方式對于快速進行電機熱流場仿真、縮短電機設計周期是有益的。

[1] 丁舜年.大型電機的發熱與冷卻[M].北京:科學出版社,1992.

[2] 劉秀杰,楊平,陳巖.發電機定子繞組溫度的計算方法及評價[J].電機與控制應用,2014,41(1): 19-22.

[3] 余中軍,王東,郭云珺.汽輪發電機定轉子三維溫度場仿真計算[J].電機與控制應用,2013,40(11): 8-11.

[4] JANNE N, MARKO R, JUHA P. Thermal analysis of radial-flux electrical machines with a high power density[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55(10): 3543-3554.

[5] 王淑旺,江曼,朱標龍,等.車用變頻調速水冷永磁同步電機三維溫度場分析[J].電機與控制應用,2016,43(2): 55-59.

[6] 楊明發,張培銘.異步電動機定子全域三維溫度場物理模型簡化研究[J].中國電機工程學報,2010,30(S): 203-208.

[7] 張楨海,遲長春,練正兵,等.高功率密度籠型異步風力發電機通風結構優化分析[J].電機與控制應用,2015,42(4): 53-57.

[8] 霍菲陽,李勇,李偉力,等.大型空冷汽輪發電機定子通風結構優化方案的計算與分析[J].中國電機工程學報,2010,30(6): 69-75.

[9] 陶文銓.數值傳熱學[M].西安:西安交通大學出版社,2001.

[10] [蘇]鮑里先科,丹科,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.

[11] 郭榮良,郭清南,祝世興.流體力學及應用[M].北京:機械工業出版社,1996.

AnalysisofInfluenceofSimplifiedModelofStatorEndWindingonMotorThermalFieldandVelocityFieldCalculation*

WANGYongqing1,YUZhongjun1,JIANGYapeng1,GAOQiang2

(1. National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System,Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China;2. PLAN Representative Office in 712th Research Institute, Wuhan 430070, China)

The temperature rise of the motor was one of the main factors that affected the performance and reliability of the motor. At present, the three dimensional temperature field simulation method was adopted, but because of the complex structure of winding and the strong coupling of heat flux field,which affecting the accuracy of the calculation results largerly. The simplified modeling method of 3 kinds of stator end winding was established, and the simulation and analysis of the heat flux field of the induction motor was carried out by using the Fluent simulation software platform. The results showed that the model could be simplified as a two-dimensional stator end winding structure of straightening bent upward, the simplified method had both advantages of short modeling time and high simulation precision. The conclusions could be used as a reference for the simulation of the heat flux field and shorting the design period of the motor.

inductionmotor;temperaturefield;endwinding;simplifiedmodel

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)資助項目(2013CB035601)；國家自然科學基金項目(51690181)

王永青(1993—),男,碩士研究生,研究方向為電機冷卻技術。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)11- 0067- 05

2017 -04 -05