丁樹業(yè)　夏之慧　李海玲　仵程程　隋宇

摘要：為研究徑向通風電機內(nèi)部流體分布、傳熱性能及溫升特性，根據(jù)徑向通風電機通風結(jié)構(gòu)及傳熱特點，建立三維流動及傳熱耦合的物理模型和數(shù)學模型，結(jié)合工程實際給出基本假設和邊界條件，采用有限體積法對流體場及溫度場進行求解，得出電機內(nèi)部冷卻介質(zhì)流動性能、傳熱特性及電機各部件的溫升分布情況。最后，對電機定轉(zhuǎn)子股線、絕緣及鐵心溫升分布做了詳細分析，獲得電機溫升分布趨勢及溫升最大值的位置。為徑向通風電機綜合物理場的準確計算以及通風結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

關鍵詞：

徑向通風電機;流體流動;傳熱特性;耦合

DOI：10?15938/j?jhust?2019?01?006

中圖分類號： TM315

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）01-0034-07

Analysis of Fluid Flow and Heat Transfer Characteristics?for Radial Ventilation Generator

DING Shu?ye，XIA Zhi?hui，LI Hai?ling，WU Cheng?cheng，SUI Yu

（School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology，Harbin，150080，China）

Abstract：In order to study distribution of fluid flow， the characteristic of heat transfer，and temperature rise characteristics of radial ventilation generator，a mathematical and physical model of 3D fluid flow and heat transfer coupled was established according to structure characteristic of radial ventilation generator?Flow fluid and field was calculated coupled using finite volume method by giving fundamental assumptions and corresponding boundary conditions?From the research，the performance of fluid flow characteristic of heat transfer，and temperature rise distribution of generator were obtained?Finally，the temperature rise distribution of the strand， insulation and iron core of stator and rotor are analyzed respectively， the maximum temperature rise position of each parts of the motor are obtained?The theory gist for accurate calculation of synthetic physical fields and structure optimization for the radial ventilation generator is provided

Keywords：radial ventilated generator; fluid flow; heat transfer characteristics; coupling

0前言

隨著電機單機容量的增加，勢必增加電機尺寸、結(jié)構(gòu)的復雜性以及電機內(nèi)電磁負荷的強度，即大大增加了電機研究的難度。電機電磁負荷增加，電機內(nèi)各部件溫度隨之升高，而電機溫升分布作為衡量電機運行狀態(tài)的重要指標之一，在電機的綜合性能評價中占據(jù)重要的指導地位[1-3]。因此，對電機的溫升計算及通風結(jié)構(gòu)優(yōu)化尤為重要。

目前國內(nèi)外專家對電機流-熱耦合場計算方面的研究，通常以一個槽為研究對象，且假設冷卻氣體垂直進入徑向通風溝，但事實并非如此。本文從流-熱耦合角度采用有限體積法對徑向通風電機進行全面透徹的研究，不僅可以彌補電機溫度場傳統(tǒng)計算方法的缺陷，而且提高徑向通風電機數(shù)值計算的精度，該求解方法充分考慮電機內(nèi)部各種因素的影響，使仿真過程更加貼近實際運行環(huán)境，具有重要的理論意義及工程實際價值。

本文根據(jù)徑向通風電機通風結(jié)構(gòu)及傳熱特點，建立三維流動及傳熱耦合的物理模型和數(shù)學模型，結(jié)合工程實際給出基本假設和邊界條件，采用有限體積法對流體場及溫度場進行仿真計算，并對電機的流體流動性能及各重要部件的溫升分布進行詳細分析，獲得電機溫升分布趨勢及溫升最大值的位置，為徑向通風電機綜合物理場的準確計算以及通風結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供了理論依據(jù)。

1模型的建立

1?1計算流體動力學控制方程

電機中的流體在運動過程中必須滿足三大守恒方程，其三大守恒方程式如下所示[4-5]：

質(zhì)量守恒方程：

ux+vy+wz=0（1）

式中：u、v、w分別為x、y和z方向的速度分量。

動量守恒方程：

（ρuu）x+（ρuv）y+（ρuw）z=

xμux+yμuy+zμuz-px（2）

（ρvu）x+（ρvv）y+（ρvw）z=

xμvx+yμvy+zμvz-py（3）

（ρwu）x+（ρwv）y+（ρww）z=

xμwx+yμwy+zμwz-pz（4）

式中：ρ為流體密度;μ為動力粘度;p為流體壓力。

能量守恒方程：

（ρuT）x+（ρvT）y+（ρwT）z=

xλ?lc?pTx+yλ?lc?pTy+zλ?lc?pTz（5）

式中：c?p為流體比熱容;T為溫度;λ?l為流體的導熱系數(shù)。

在電機內(nèi)部流體流熱問題的求解變量都可以用通用形式的的控制方程進行表示，通用方程如下所示[6]：

通用控制方程式為：

t（ρφ）+div（ρuφ）=div（Γgradφ）+S（6）

其展開形式為：

t（ρφ）+x（ρuφ）+y（ρvφ）+z（ρwφ）=

x（τφx）+y（τφy）+z（τφz）+S（7）

式中：可以代表u、v、w、T等求解變量;φ為通用變量;S為廣義源項;Γ為廣義擴散系數(shù)。

1?2數(shù)值傳熱學控制方程

本文只對電機穩(wěn)態(tài)運行時溫度場進行數(shù)值計算，因此可以將導熱方程中時間項去掉，在本文中電機鐵心導熱系數(shù)呈現(xiàn)各向異性。因此，根據(jù)上面的假設，電機內(nèi)溫度場計算中三維導熱控制方程在笛卡爾坐標下可以表示為如下形式[7-9]：

x（λ?xTx）+y（λ?yTy）+z（λ?zTz）=-q?V

T?S?1?=T?0

λTn?S?2?=q?0

λTn?S?3?=-α（T-T?f）（8）

式中：T為初始溫度（℃）;λ?x、λ?y、λ?z分別為不同材料沿x、y、z軸的導熱系數(shù)（?W/（m?2·K）?）;α為表面散熱系數(shù)（?W/（m?2·K）?）;q?V電機內(nèi)的總熱源值（?W/m?3?）;T?0為邊界面處的溫度值;T?f為電機的環(huán)境溫度（℃）;S?1為恒溫邊界;在數(shù)值計算之前，必須給出q?0的值，其數(shù)值大小為邊界面S?2上熱源密度。

1?3通風結(jié)構(gòu)

本文徑向通風電機采用密閉式通風冷卻系統(tǒng)，電機上部冷卻器流出的冷卻氣體進入電機的端部氣腔，當轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子風溝內(nèi)槽鋼等效為離心式風扇，使電機內(nèi)部產(chǎn)生壓力差，促使冷卻氣體由電機兩端進入電機內(nèi)部，由于冷卻氣體與電機部件充分接觸產(chǎn)生對流換熱，最后從轉(zhuǎn)子徑向通風道流出電機本體從而帶走電機熱量，經(jīng)出風口流回冷卻器完成一次密閉循環(huán)流動。

2電機求解模型的建立

2?1基本假設

徑向通風電機結(jié)構(gòu)較復雜，為了合理的簡化求解，做如下假設[10-14]：

1）只對電機穩(wěn)定狀態(tài)時的流體場進行計算，因此導熱方程不含有時間項;

2）電機內(nèi)部冷卻氣體的雷諾數(shù)很大（Re>2300），故采用湍流模型進行求解;

3）電機內(nèi)部冷卻氣體流速遠小于聲速，即馬赫數(shù)（Ma數(shù)）很小，故冷卻氣體為不可壓縮流體;

4）電機定、轉(zhuǎn)子端部股線采用直線段等效處理;

5）對定、轉(zhuǎn)子股線絕緣、層間絕緣以及主絕緣等效為一個絕緣體;

6）電機各部分浸漆均勻，絕緣良好;

7）定、轉(zhuǎn)子上下層股線施加熱源相同，忽略其集膚效應。

2?2流體場求解域及邊界條件

根據(jù)該徑向通風電機軸向及周向均對稱的特點，在基本假設的基礎上，取電機軸向及周向均1/2區(qū)域作為流體場求解域物理模型，即整機的1/4為研究對象。其物理模型如圖1所示。

電機流體場計算邊界條件設置如下[13]：

1）以一個標準大氣壓為初值，入口為壓力入口邊界，出口為壓力出口邊界;

2）軸向?qū)ΨQ面設置成對稱邊界條件，周向?qū)ΨQ面設置成周期邊界條件，其余的邊界面均設置成無滑移邊界。

2?3溫度場求解域及邊界條件

由于該電機在軸向及周向完全對稱，在基本假設的基礎上，為了降低電機溫度場計算難度，又不降低計算的準確性，取電機軸向1/2、周向1/6區(qū)域作為電機求解域物理模型，即周向取12個定子槽，9個轉(zhuǎn)子槽作為研究對象，電機的求解域物理模型如圖2所示。

根據(jù)電機流體場計算結(jié)果，采用流-熱耦合數(shù)值方法對電機溫度場進行數(shù)值計算，電機溫度場計算邊界條件設置如下[15]：

1）電機空氣入口設置成速度入口邊界條件，速度值為0?52.m/s;

2）電機空氣出口設置成壓力出口邊界條件，壓力初始值為一個標準大氣壓;

3）電機軸中心端面為對稱邊界條件，其它邊界均為絕熱面;

4）轉(zhuǎn)子區(qū)域流體與電機額定轉(zhuǎn)速相同，均設置為?1.200?rpm。

2?4電機熱源的分析

電機在額定運行時電機將產(chǎn)生損耗，即電機電磁損耗、機械損耗以及雜散損耗。表1給出了電機各部分損耗。

根據(jù)電機在額定狀態(tài)下?lián)p耗大小，對電機定轉(zhuǎn)子鐵心及繞組施加熱流密度，進而對電機進行溫度場求解。

3流體場計算結(jié)果分析

3?1整體流體場計算分析

徑向通風電機內(nèi)流體場計算結(jié)果如圖3所示。

從總體流體跡線分布可以看出，冷卻氣體在入風口附近流速較低，到氣腔后速度逐漸升高，且靠近電機頂部的冷卻氣體流速相對于電機底部數(shù)值較大，并且電機定子部分較轉(zhuǎn)子部分變化更加明顯。這是由于轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，定子在空間位置上與機殼保持相對靜止，電機頂部和底部相對位置對轉(zhuǎn)子影響較小，但是對定子影響較大，導致端部氣腔內(nèi)定轉(zhuǎn)子部分流體流速分布不一致。冷卻氣體由端部氣腔沿軸向風道進入電機內(nèi)部，且轉(zhuǎn)子徑向風溝內(nèi)流體流速較高。冷卻氣體經(jīng)氣隙進入定子徑向風道，流速降低，且冷卻氣體在定子區(qū)域流速明顯降低，流線分布較稀疏，這是由于冷卻氣體在定子徑向風溝內(nèi)受到沿程阻力的影響，且定子風道出現(xiàn)回流，使冷卻氣體在徑向風道內(nèi)發(fā)生碰撞，能量損失嚴重。

3?2整域內(nèi)流體場流量計算結(jié)果分析

通過仿真計算，電機由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的內(nèi)部冷卻氣體的總風量為4?941.m?3/s，理論計算時，電機所需冷卻風量為?4?078.8?m?3/s，因此，可以初步判斷，單獨采用轉(zhuǎn)子自力扇風性能的冷卻系統(tǒng)可以滿足電機的通風要求。為了分析電機內(nèi)部冷卻氣體分布規(guī)律，提取電機轉(zhuǎn)子區(qū)域、定轉(zhuǎn)子氣隙及定子區(qū)域內(nèi)流量分配數(shù)據(jù)以及各部分在總流量中所占百分比，如下表2所示。

從表2中可以看出，冷卻器流出的冷卻氣體經(jīng)入風口進入電機端部氣腔，冷卻定轉(zhuǎn)子端部繞組后經(jīng)轉(zhuǎn)子支架氣腔幾乎全部進入定轉(zhuǎn)子區(qū)域，流量損失較小。一方面，是由于轉(zhuǎn)子構(gòu)件起到離心風扇的驅(qū)動作用，另一方面，是由于該電機采用定轉(zhuǎn)子風道沿軸向?qū)R布置，利于電機內(nèi)部冷卻氣體的流通。

3?3徑向通風溝內(nèi)流速分析

為詳細分析徑向通風溝內(nèi)的流體流變特性，取流量最大的徑向風溝為研究對象，圖4給出了1號通風溝中心截面速度分布云圖。

從圖4中可以看出轉(zhuǎn)子區(qū)域流體速度遠遠大于定子區(qū)域。隨著徑向長度的增加轉(zhuǎn)子流體速度逐漸增大，在氣隙處達到最大。定子通風槽鋼迎風面與背風面流體流速差異更加顯著，即定子通風槽鋼迎風面流體流速大于背風面，但是在徑向方向流體速度變化平緩。這是因為風從電機頂部入口進入電機端部氣腔，分配給電機的各個徑向通風溝，由于電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生離心力作用從而使轉(zhuǎn)子區(qū)域內(nèi)風速不斷升高，在轉(zhuǎn)子風道出口與氣隙的接觸處風速達到最大值，而定子區(qū)域受入風口流速及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)影響較小，沿徑向方向變化不明顯。

4溫度場計算結(jié)果及傳熱特性分析

4?1電機整體溫升特性分析

經(jīng)過完整的數(shù)學描述和物理模型的建立，再結(jié)合電機各部分材料的物理屬性，施加熱流密度及邊界條件后進行溫度場計算，電機的溫升分布云圖如圖5所示，計算結(jié)果如圖6所示。

由圖5可知，電機定子區(qū)域溫升較高，而電機端部及轉(zhuǎn)子區(qū)域溫升相對較低。這是由于進入電機內(nèi)的冷卻氣體首先冷卻電機端部，然后經(jīng)轉(zhuǎn)子支架氣腔進入轉(zhuǎn)子徑向風溝，冷卻轉(zhuǎn)子鐵心及繞組，此時轉(zhuǎn)子區(qū)域溫度降低而冷卻氣體因吸收轉(zhuǎn)子熱量使自身溫度升高，冷卻氣體再經(jīng)氣隙進入定子徑向風溝后冷卻定子的能力減小，使定子溫升偏高。

通過計算結(jié)果圖6可以得出以下幾個結(jié)論。

1）電機各部分溫升各不相同，總體上定子溫升均高于轉(zhuǎn)子;

2）定子區(qū)域，股線溫升最高，為93.K，轉(zhuǎn)子區(qū)域，溫升最高處位于轉(zhuǎn)子股線處，為77?6.K;

3）轉(zhuǎn)子區(qū)域各部分平均溫升、最高溫升及最低溫升呈現(xiàn)相同的變化趨勢，即轉(zhuǎn)子股線溫升最高，絕緣溫升次之，鐵心溫升最低。

4?2電機定子溫升分析

定子鐵心溫升分布云圖如圖7所示。

由圖7可知，定子鐵心區(qū)域整體溫升變化不大，即鐵心兩端溫升低，中間溫升高，鐵心區(qū)域最高溫升出現(xiàn)在靠近端部的9～11號徑向風溝附近，達83?6.K。受端部氣腔冷卻空氣影響，到鐵心端部位置溫升又明顯降低。

從圖8、圖9中可知，隨著軸向長度的增加，定子股線溫升呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，最大值位于靠近端部的中間位置，溫升值為93.K。整體而言，靠近電機中間位置定子上下層股線溫升幾乎相同，但是越靠近電機端部位置，下層繞組溫升下降幅度越明顯，這是由于冷卻空氣剛進入端部氣腔時，首先吹拂定子下層股線，冷卻性能好，冷卻氣體進入徑向通風溝后雖然首先冷卻上層股線，但是定子通風溝內(nèi)空間狹小，加上此時冷卻氣體溫度較高，對上層股線及下層股線冷卻能力偏差不大。

圖10為定子絕緣溫升分布云圖，從圖中可知，定子絕緣溫升變化趨勢與定子股線變化趨勢基本相同，但是定子絕緣溫升略低于定子股線溫升值，其最大溫升值為91?2.K。

綜上可知，電機定子區(qū)域溫升最大位置位于定子股線，絕緣溫升次之，鐵心溫升最低。由于該電機采用F級絕緣水平，因此在電機額定運行時絕緣水平滿足要求。

4?3電機轉(zhuǎn)子溫升分析

圖11為轉(zhuǎn)子鐵心溫升分布圖，從圖中可知，冷卻氣體冷卻轉(zhuǎn)子鐵心的能力最佳，溫升最低，鐵心部分最高溫升為68?1.K，最低溫升為21?3.K。

圖12為轉(zhuǎn)子絕緣溫升分布云圖，從圖中可知，轉(zhuǎn)子絕緣最高溫升為77?2.K，其最高溫升與轉(zhuǎn)子股線溫升值相差不大，但是轉(zhuǎn)子絕緣最低溫升較低，最低值為29?2.K。

綜上可圖13為轉(zhuǎn)子股線沿軸向長度溫升分布圖，從圖中可知，與定子區(qū)域相比，轉(zhuǎn)子股線平均溫升明顯降低，最高溫升達77?6.K。隨著軸向長度的增加，轉(zhuǎn)子股線溫升先增加然后減小。但是，轉(zhuǎn)子下層股線溫升明顯低于上層股線溫升值，這是因為端部氣腔及徑向風溝內(nèi)冷卻氣體均首先冷卻轉(zhuǎn)子下層股線，冷卻效果好。

綜上可知，電機轉(zhuǎn)子區(qū)域溫升最大位置位于轉(zhuǎn)子股線，絕緣溫升次之，鐵心溫升最低，這是由于該徑向通風電機通風特點所致。

5結(jié)論

本文以全封閉循環(huán)冷卻系統(tǒng)的徑向通風電機為研究對象，對電機三維流體場及溫度場進行了數(shù)值仿真分析。從流-熱耦合角度采用有限體積法對徑向通風電機進行了全面的分析，獲得如下結(jié)論：

1）電機內(nèi)部冷卻氣體的總風量達4?941.m?3/s，高于電機所需冷卻風量;因此，單獨采用轉(zhuǎn)子自力扇風性能的冷卻系統(tǒng)可以滿足電機的通風要求;

2）隨著徑向長度的增加，風溝內(nèi)流體流速呈非線性變化，在氣隙處達到最大，其速度值為74?67.m/s;冷卻氣體進入定子徑向風溝，回流現(xiàn)象明顯，流體流速降低;

3）端部氣腔冷卻氣體經(jīng)軸向風道進入定轉(zhuǎn)子徑向通風溝，流量損失較小;在軸向方向上，電機中部的風溝流量最大，越靠近端部的風溝流量越小;

4）定子平均溫升較高，轉(zhuǎn)子平均溫升較低;繞組溫升最高，絕緣溫升次之，鐵心溫升最低;電機最高溫升點位于定子股線，數(shù)值為93.K;在F級絕緣等級下，該徑向通風電機滿足絕緣要求。

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