变频调速异步电动机三维温度场耦合计算与分析

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(南车株洲电机有限公司, 湖南株洲 412001)

0 引言

对于电机而言，电机内的流体流动对于电机的散热有着重要的作用。电机的温升以及内部发热情况的分析很大程度上取决于冷却介质的温度和流动情况，因此将电机内流体与固体耦合起来进行计算分析是非常必要的。目前，大多数文献[1～ 3]都是取电机的局部模型进行分析计算，利用经验公式计算散热系数进行边界条件的加载，对于电机整体建模计算求解的文献很少。

本文采用有限体积法，建立了一台水冷电动轮变频调速异步牵引电机的整机三维模型，采用流体场与温度场耦合计算的方法，计算了电机的整机温度场分布，模拟了水套内冷却水的流动情况和温度分布。避免了计算局部模型需要利用经验公式加载散热系数和边界条件[4]施加不精确所带来的误差。

1 三维温度场模型

在电机的原始模型基础上，进行适当的简化。忽略模型中次要的部分，如对传热影响不大的部件和局部细节特征。如电机外部的吊耳，地脚等构件对传热的影响较小，可忽略不建。对于电机内部的建模，保留和传热相关的固体区域，出于提高计算效率的考虑，做适当简化，局部的细节特征如半径很小的倒角和高度很小的台阶等都予以简化。不同材料的固体要单独成体。

本文计算的异步牵引电机的主要构件包括三大部分：机座、转子和定子。机座由内、外水套以及筋板形成一个水路外循环；动域转子、定子与机座内水套形成空气内循环。转子部分忽略转子导条的加工，将其简化为一个长方体，将转子端环简化为一个圆环，使得导条增加的体积与端环减小的体积相差不多。定子部分将定子槽内的槽底垫条、槽绝缘、层间垫条、楔下垫条、槽楔都作为绝缘材料画成一体，对于这些部分，实际计算更关心的是它们对热量传递的阻隔，并不关心它们内部的温度分布，因此等效为绝缘材料。简化后的计算模型如图1所示。

图1 电机计算区域模型

2 基本假设及边界条件

在简化后的模型基础上生成流体域，并根据模型对流体域进行分块，如动、静域的划分。对不同块分别进行划分网格，划分完局部网格后进行网格合并，并生成交界面。将合并后的网格导入到CFD软件中，选择适当的流体模型，打开能量方程。选择动参考系模型，设置不同域的运动属性，对不同部件的材料属性进行设置，硅钢片的导热属性需要考虑各项异性。设置边界条件后求解计算，得到电机的流场和温度场分布。

2.1 计算基本假设

计算区域基本假设

(1) 转子铁心中磁场交变频率很低，所以忽略转子铁心的基本铁损耗；

(2) 转子铁心中的附加损耗认为在转子表面一极薄的体内；

(3) 定子绕组铜耗按照上层线棒与下层线棒损耗平均分布；

(4)定子铁心齿部损耗和轭部损耗分别在定子齿部和轭部中平均分布。

2.2 边界条件

(1)水路外循环入口为流量入口边界条件，出口为压力出口边界条件，压力为1个标准大气压，环境温度为30°。

(2)机座表面为对流散热边界条件。

(3)转子采用MRF模型，给定转速。

(4)定子绕组、定子齿部、定子轭部、转子导条以及转子表面薄体为热源。

3 温度场的数值计算

3.1 数学描述

流体流动所遵循的物理定律，是建立流体运动基本方程组的依据。这些定律主要包括质量守恒、动量守恒、能量守恒、热力学定律。流体流动的控制方程，可以写成通用格式[5]

(1)

式中，φ—广义变量，可以为速度、温度或浓度等一些待求的物理量；Γ—相应于φ的广义扩散系数；S—广义源项。

有限体积法是在控制体积上积分控制方程，在控制体积节点上产生离散的方程。通过求解方程组，就可以得到各物理量在各节点处的值。

3.2 流体场计算结果

由于水套内冷却水的雷诺数Re[4]很大(大于2 300)，属于紊流流动，固采用标准的k-ε模型进行计算。通过计算可得出机座水套内冷却水的流速和压强损失，分别如图2和图3所示。

图2 水套内冷却水速度云图

由图2可以看出水套内冷却水的流动速度，特点表现为流速很不均匀，沿前进方向上靠近隔水筋板位置流动较快，水套内冷却水的平均速度逐渐升高。

图3 水套内冷却水压强云图

通过计算，机座水套入口处与出口的压强差为13 462Pa。满足客户提出的小于0.3MPa的要求，并且有较大的余量。

3.3 温度场计算结果

电机周向和轴向分别做一个截面，显示出截面的温度场分布，如图4、图5所示。

图4 电机周向截面温度云图

图5 电机轴向截面温度云图

可以看出电机转子温度较高，定子温度相对较低，这是因为机座水套可以直接带走定子产生的热量，转子的热量需要通过气隙传给定子铁心，再传给机座；或者通过转子两端的空气和转轴传热到两端的端盖来散热，空气的热阻很大，不利于转子的散热。图6、图7分别为定子导条和转子温度分布。

图6 定子导条温度云图

图7 转子温度云图

定子温升最大点为定子绕组端部处，温升最大值为86K，从定子导条温度云图中可以看出，导条温度分布为直线段中间部分温度最低，往两端端部位置温度逐渐升高。这是因为直线段产生热量可以通过定子铁心直接传导到机座水套内，冷却效果较好。转子温升最大点为转子端环处，温升最大值为102K。

4 与试验结果对比

在电机定子端部绑扎测温元件，待电机温升试验温度稳定后，实测定子温升为87K。与仿真计算结果86K相对误差很小，误差仅为1.15%，说明整机模型流体场与温度场耦合计算的方法可靠。计算值比实测值略低，除了测量精度因素以外，没有考虑端部绕组绝缘，如果将端部绕组绝缘考虑进去的话，温升会有所增加。

5 结语

本文应用流体力学和传热学理论，通过对YP110-8、110KW变频调速异步水冷电动机流体场和温度场的计算，得到如下结论。

(1) 电机水套结构设计合理，水道入出口压差能够满足用户提出的小于0.3MPa要求，并且有较大的设计余量。

(2) 电机各部分温升均在温升限度以内，说明电机的电磁方案和结构方案设计合理。

(3) 采用整机模型对流体场和温度场耦合算法更加贴近实际，可以避免计算局部模型需要利用经验公式加载散热系数和边界条件施加不精确所带来的误差，能够计算出电机内部整个流场的流动情况，计算出的温度场也更加准确，可以为电机优化冷却结构提供理论依据，更有效的降低电机的温升。

[1] 温嘉斌,鄢鸿羽. 定子通风槽钢对通风沟内流体流动形态的影响[J].电机与控制学报，2010,14(11):58-62.

[2] 温嘉斌,王国辉.中型高压异步电动机三维温度场耦合计算与分析[J].电机与控制学报，2011,15(1):73-78.

[3] 霍菲阳,李勇,李伟力,等.大型空冷汽轮发电机定子通风结构优化方案的计算与分析[J]. 中国电机工程学报，2010,30(6):69-75.

[4] 鲍里先科. 电机中的空气动力学与热传递[M].北京:机械工业出版社,1985:18-25.

[5] 江帆,黄鹏. FLUENT高级应用与实例分析[M].北京:清华大学出版社,2008:8-29.