电机冷却多物理场耦合计算及模板开发

苏诗湖,郑国丽,丰帆,周巍

(中车株洲电机有限公司，湖南株洲412000)



电机冷却多物理场耦合计算及模板开发

苏诗湖,郑国丽,丰帆,周巍

(中车株洲电机有限公司，湖南株洲412000)

以电机温升计算的重要性为出发点，介绍了电机冷却设计的计算内容和热交换的分析方法，并对等效热路法和CFD方法进行了比较；并以某发电机为例，介绍了电机电磁场和温度场的耦合分析并进行了试验验证；概述了模板定制开发的作用。所提出的理论和分析方法对电机冷却设计具有一定的参考价值。

电机冷却；数值仿真；多物理场；模板开发

0 引言

电机温升是电机设计过程中的关键项目之一，正确分析和计算电机各部件的温升，掌握电机内的温度分布，不仅可以保证在设计阶段及时优化电机设计方案，并且可为电机的安全、高效运行奠定坚实基础。本文介绍了电机内热交换的分析方法，并针对热路法和CFD分析方法进行了对比分析。近年来计算机模拟分析已经成为国内外技术创新的重要手段，其中CFD分析方法已经贯穿于电机产品研发的全过程，不仅应用到产品设计流程的前端为产品设计提供强力支撑，同时也应用于产品设计的后期验证，提升了产品的市场竞争力，为企业带来了显著的经济效益。

电机是一个集电气、机械、动力学、传热等众多学科于一体的复杂系统，各学科之间相互关联、相互影响。在电机产品研发设计阶段，电机磁路计算、性能计算、通风散热计算、结构强度计算、转子动力学分析等都有专门的仿真软件进行分析计算，各学科独立计算，忽略相互之间的影响因素可能导致数据传递中出现误差，或计算结果与实际情况出现偏差。因此电机多物理场的耦合计算逐渐被引入和推广，如：电机电磁-通风散热耦合分析，电机热-结构应力变形分析，电机结构振动-噪声分析，电机气动-噪声分析等。本文着重介绍电机电磁与通风散热的耦合分析，并举例说明耦合计算过程及其结果验证。除此之外，本文还对电磁与通风散热耦合分析的模板开发进行详细说明。多物理场耦合分析和模板开发对拓展各专业学科应用的广度和工程应用的深度都有重要作用。

1 电机内热交换分析方法

电机运行时要产生各种损耗，这些损耗都转变成热能使电机各部分的温度升高。对电机绕组而言，国家标准规定的温升限值基本取决于其绝缘系统所允许的最高温度和冷却介质的温度。电机绕组绝缘系统所采用的材料，其机械、电气、物理等性能随温度的升高逐渐变坏，当温度升高到一定程度时，绝缘系统就失去绝缘能力导致电机烧损或烧毁，因此保证合理的电机温升是电机设计过程中关键的一部分。随着电机向大容量、小型化、低成本、高效能发展，改进电机冷却系统，降低电机温升变的尤为重要。

电机温升计算主要包括几个部分

(1)计算电机所需冷却介质总的体积流量

(2)计算冷却系统内的流阻和风阻，为了保证循环风量，采用的风扇需提供足够的压头，同时要保证风扇与冷却系统的匹配性，避免运行时机械损耗过大导致电机效率降低；

(3)电机热交换装置(包括冷却器、冷却水道等)的设计；

(4)风量分配和传热计算，使电机各发热部件具有合适的温升。

目前电机最常用的两种热分析方法分别为等效热路法和CFD分析方法。等效热路法是利用传热学和电路理论的相似性把温度场简化为带有集中参数的热路来进行计算，把分布的真实热源和热阻用集中的热源和热阻代替，形成等效热路，该方法计算量相对较小，但是只能近似估算热阻的平均温升。等效热网络法是把热路法的参数和热源进行局部分布参数化，应用图论原理，通过网络拓补结构进行热场分析的一种方法。

CFD分析方法[4,5]是将电机内连续的物理量场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。CFD方法也可看做是在流动基本方程如质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程的控制下对流动的数值模拟。通过这种数值模拟，可以得到电机流场内各个位置的基本物理量如速度、压力、温度等分布，并据此算出相关物理量从而进行结构优化。

采用等效热路法计算电机的温升，必须知道电机各部件表面对流换热系数，而影响换热系数的因素很多，不容易精确计算，因此在实际设计电机时，换热系数经常按经验公式获得，使计算结果存在较大误差。此外对于通风系统复杂的电机，电机定转子有多个通风道，既有内外风扇又有冷却器的情况，准确的分析等效热路并计算电机内热传递具有很大的难度。基于计算流体动力学原理，对电机的流场、温度场进行数值模拟相比于热路法具有以下优点：(1)流体与固体共轭换热，无需计算散热系数，减少了计算误差；(2)冷却介质的流量分配，压力分布、风道阻力以及流线、流速、矢量方向均可显示和输出，用于结构优化设计；(3)能够获得电机各部件的温度分布情况和某一点的具体温升，并据此降低最高温度、改善温度分布均匀性。

2 电机电磁场和通风散热耦合分析

电磁场和温度场的耦合，主要体现在电机温度场计算中热源的施加方式上。电机的热源(损耗)主要来自于电机运转过程中磁场的作用，一般情况下，热源的损耗分布并不是完全均匀的，而是根据几何位置的变化而变化，并且杂散损耗的具体分布位置很难给定，往往根据经验计算。为了能更好地模拟真实的损耗分布，将电磁的损耗计算结果直接施加在温度场计算的热源上，通过两者的耦合来保证电机温度场的计算尽可能地接近真实情况。本文以某风力发电机为例，介绍耦合方法，并将计算结果与试验值进行对比分析，电机结构如图1所示。

图1 电机三维结构图

考虑电机的结构特点和通风系统既不存在对称性也不存在周期性，因此温度场计算模型为电机整机的三维模型，而电机电磁场计算模型为二维模型，电磁场损耗分布如图2所示。

图2 电磁场损耗计算

尽管两个模型几何维度不同，但是电机发热部件包括定转子铁心、导条以及绕组直段部分轴向结构完全相同，可认为是二维模型拉伸而成，因此只需要把二维的热源耦合数据沿轴向扩展到三维结构就可以实现耦合，而定子绕组端部和转子端环的热源值是均布的，计算时可直接在相应的计算域内施加热流密度。耦合的基本思路分以下几步：(1)导出温度场计算模型中热源的几何坐标；(2) 在Maxwell电磁计算模型中导入上述坐标，插值计算出对应坐标的损耗值；(3)将损耗值导回温度场计算模型中，并通过自定义函数施加在对应坐标上。经计算通过耦合方法输入的热源值与试验值相对误差小于10%，在工程允许范围内，并且将温度的计算结果与试验值进行比对，对比结果见表1。

表1 仿真计算结果与实测值对比

结果表明，计算值与试验值的相对误差均在工程允许范围内，证明计算方法可行。通过耦合方法计算得到的电机温度分布如图3、图4所示。

图3Y-Zplane的温度云图

图4X-Zplane的温度云图

3 模板开发应用

电机通风散热仿真分析模板开发是基于Fluent软件原有功能，利用二次开发语言-scheme语言将特定分析过程的方法步骤、标准规范、经验和知识归纳封装后定制开发的专业分析向导化工具，如图5所示。通过模板后台的参数设定和操作提高了仿真分析的效率和能力，实现资源利用的最优化，提高资源利用效率和计算效率。

图5 模板向导示意图

电机通风散热仿真模板是根据电机通风散热仿真分析流程定制的向导化工具。若对电机整机进行仿真计算，由于电机结构复杂、部件多，电机整体的三维建模和网格剖分难度大，通常在前期处理过程中将电机分成很多的区域，将区域和边界命名规范化，使系统自动识别各个区域和边界，通过向导的形式引导用户快速完成模型的批量导入、交界面自动区分并且自动设置、材料的自定义施加、动域的选择设置、对流壁面和传导壁面的设置、均值热源工况的设置、耦合热源工况文件的生成及设置、求解和后处理以及生成仿真报告功能，实现高效的仿真分析。电机通风散热仿真模板为仿真人员提供更为方便、具体的专用分析导航，可以更加符合用户的需求，满足特定行业的特定需要。

4 结语

(1)根据电机内热交换的分析方法对比可知，相比于热路法，数值仿真方法能够输出电机内流场的各个物理量，获得电机各部件的温度分布情况和某一点的具体温升，通过分析显示和输出的计算结果可以对电机结构进行优化设计。

(2)电机电磁场和温度场的耦合分析，能够更好的模拟真实的损耗分布，减少计算结果误差。通过计算值与试验值的验证，证明了计算方法的可行性。

(3)基于特定行业的仿真分析流程定制模板，可以满足用户的需求，并且提高了资源利用效率和计算效率，实现了资源利用的最优化。

[1] 丁舜年. 大型电机的发热与冷却[J].北京: 科学出版社,1992.

[2] 魏永田, 孟大伟,温嘉斌. 电机内热交换[M].北京:机械工业出版社, 1998.

[3] А·И·鲍里先科, В·Г·单科, А·И·亚科夫列夫. 电机中的空气动力学与热传递[M].魏书慈，邱建甫译. 北京：机械工业出版社, 1985.

[4] 王福军. 计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M].北京: 清华大学出版社, 2004.

[5] 陶文铨. 数值传热学[J].西安: 西安交通大学出版社, 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+

苏诗湖 男 1983年生；毕业于武汉轻工业大学，华中科技大学电机与电器专业在读硕士研究生，现从事高效节能电机研发工作.

2016-05-05