电机端部绕组表面对流换热系数的研究_余中军.pdf

电机端部绕组表面对流换热系数的研究2023.3电机端部绕组表面对流换热系数的研究余中军，陈祖涛，杨君坦(海军工程大学舰船综合电力技术国防科技重点实验室，武汉 430033)摘要电机端部绕组的温升求解是电机温度场计算过程中的难点所在。针对端部绕组周围的流场域不规则，难以用热路法或有限元法精确计算其表面换热系数的难题，提出了一种基于简易风洞实验装置的对流换热系数测量方法，搭建了实验平台对不同绝缘等级、不同成型工艺的绕组线圈的表面对流换热系数进行了测量，并分析了对流换热系数在不同影响因素下的变化规律。结果表明，不同绝缘等级的绕组端部表面对流换热系数相差不大，相比于成型线圈，散开线圈端部表面的对流换热系数更大。通过实验实现了对端部绕组表面对流换热系数的准确测量，为后续电机温度场的准确计算奠定了基础。关键词电机端部绕组;对流换热系数;风洞实验 中图分类号TM301.4+1 文献标志码A 文章编号1000-3983(2023)03-0008-05Study on Convective Heat Transfer Coefficient of End Winding Surface of MotorYU Zhongjun，CHEN Zutao，YANG Juntan(National Key Laboratory of Science and Technology on Vessel Integrated Power System，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)Abstract:Solving the temperature rise of the motor end winding is the difficulty in the calculationprocess of the motor temperature field Aiming at the problem that the flow field around the endwinding is irregular，and it is difficult to accurately calculate the surface heat transfer coefficient bythermal circuit method or simulation，a measurement method of convective heat transfer coefficientbased on a simple wind tunnel experimental device is proposed An experimental platform is set up tomeasure the convective heat transfer coefficient of winding coils with different insulation levels anddifferent modelling processes，and the influencing factors are studied The results show that theconvective heat transfer coefficients at the end surface of winding with different insulation levels aresimilar Compared with the forming coil，the convective heat transfer coefficient at the end surface ofthe dispersed coil is larger The accurate measurement of convective heat transfer coefficient on theend winding surface is realized through experiments，which lays the foundation for the accuratecalculation of the temperature field of the subsequent motorKey words:end winding of motor;convective heat transfer coefficient;wind tunnel experiment基金项目:国家自然科学基金(52077217)0前言电机中主要的对流换热面包括定转子绕组端部表面、铁芯轭部和背部表面以及气隙两侧的定转子内外侧表面。在实际电机中，绕组端部的结构和材料十分复杂，绕组表面不仅包裹着绝缘材料和绝缘漆，并且还设有云母带绑扎带以及绝缘支撑垫块等，这些材料影响着绕组端部表面的对流换热系数。在电机温度场计算中无法精确量化其大小，因此通过实验对换热系数进行准确测量是电机温度场准确计算的重要保障。求解电机中对流换热系数常用的方法有经验公式法、试凑法、反求法等，在国内外电机温度场计算中都得到了一定程度的研究。Martin Hettegger 等设计实验测量了电机端部绕组的对流换热系数，实验中使用了热流密度传感器测量并计算了端部绕组上多个测点的实际换热系数，并将实验数据对比仿真计算结果，证明了仿真模型的准确性1，但是该方法测量流程繁琐。黎巴嫩的研究者使用反推法2 计算了完全封闭式永磁空冷电机的机壳与外界空气之间的自然对流情况下的对流换热系数，为验证所提出的计算方法的准确性，分别在 5 种不同的损耗情况下进行了实验验证。82023.3大 电 机 技 术哈尔滨工业大学的孙芝茵3 通过仿真得到了对流换热系数对高速电机气隙齿槽温度分布的影响。同济大学的何磊4 使用仿真计算的对流换热系数改进了其热网络模型中使用经验公式计算的对流换热参数，从而提高了热网络计算精度。早期，也有学者利用实验的方法研究了对流换热系数5-6。张建荣等7-8 利用风洞实验测量了自制混凝土试样表面的对流换热系数，结果表明混凝土表面的自然对流换热系数基本不随表面温度变化而变化，强制对流换热系数与风速成线性关系。四川大学的阳红等9 提出了一种将温度实验数据与神经网络计算相结合的对流换热系数计算方法，并计算了机床的温度场，得到了一种反映对流换热系数与温度场之间变化关系的函数。然而，经验公式法是以计算的无量纲的准则数为依据，选取相应的经验公式10-11，其得到的对流换热系数计算值与实际值之间存在较大差异性。试凑法是工程上经常采用的方法，该方法通过人工修正对流换热系数，其精确度依赖研究者的经验，缺乏理论依据，因此，试凑法的计算效率和计算精度较低。另外通过反复迭代线性方程组逼近对流换热系数值的反求法采用差分代替偏导，计算结果精度偏低12。为此，为保证电机温度场计算的准确性，设计了一种依靠风洞实验的方法来测量电机内绕组端部流-固交界面的对流换热系数，并针对不同影响因素下对流换热系数的变化规律开展了研究。1实验平台设计1.1实验原理电机端部绕组表面的对流换热发生在包裹绕组的绝缘漆与电机端部空气之间，其对流换热系数可根据牛顿冷却公式来进行计算:h=qTw Tf(1)式中，q 为测点处的热流密度，使用热流传感器测量，W/m2;Tw、Tf分别为测点处的风温和壁温，使用热电偶测量，K。因此只需在实验过程中准确测量绕组绝缘漆表面的热流密度、风温和壁面温度即可求出其对流换热系数。1.2风洞设计由于空气动力学中湍流是无法用线性理论求解的，所以直接编程计算或是使用商业软件计算误差较大。对于湍流计算，尚没有较为完整的理论模型，大多数依靠经验公式来修正和补充。所以风洞在 CFD计算中有着重要的作用。在风洞中，空气速度最大且最均匀的一段称为风洞实验段。在风洞中实验条件如空气压力、温度、密度、速度是可以准确控制的，可在较短的时间内产生特定的气流。为准确测量绕组端部对流换热系数，本文根据相似性原理，采用较为常见的开路式风洞进行实验，图1 是本风洞装置示意图。图 1风洞示意图实验风洞由收缩段、实验段、扩散段和蜂窝器组成，各部分主要特点和功能有7:(1)收缩段风洞收缩段的作用是使气流在沿收缩段流动时，空气流速单调增加。收缩段壁面上应尽量与气流分离，使收缩端出口的气流分布均匀并保持流速稳定。此部分洞壁的形状变化曲线应该较为缓慢，以稳定气流。(2)实验段本实验的 4 个成型线圈和 1 个散开线试样都是安装在实验段进行实验的，实验段空气的动力性能直接影响到实验数据的精确程度，所以实验段空气湍流度应保持在较低的水平。任一形式的风洞均应保证实验段空气的动力品质，如气流的流速、压力和温度等参数在同一截面上的均匀性，并且参数值应不随时间变化。气流迹线与风洞轴线应保持一致，同时，在实验段应设置便于风速、风温等测量的安装孔，并便于装卸模型。风洞实验段截面可以有多种形式，如圆形、长方形、菱形等，应依据试样形状和实验要求确定截面形状，其设计原则是在满足试样形状及实验要求下尽可能减少实验段截面积，这样可以减少风洞设计制造成本并提高风洞效率。本风洞实验段设计采用界面形状为圆形的形式。(3)扩散段风洞扩散段的功能是将空气的动能转化为压力能，因为风洞中能量的损失与气流速度的三次方成正比，所以气流在通过实验段后应尽量减低其速度，以减少气流在风洞非实验段中的动能损失。扩散段扩压效率主要与扩散段的扩散角的形状大小有关，另外扩9电机端部绕组表面对流换热系数的研究2023.3散段的界面形状也在一定程度上影响着扩压效率。大量风洞实验证明:圆形截面的扩压效率最高，长方形次之。本实验风洞的扩散段采用圆形截面。(4)蜂窝器蜂窝器与阻尼网主要起整流作用。其由许多方形或圆形截面的小格子组成，形同蜂窝故命名之。蜂窝器可将气流中的大旋涡分割成小旋涡并对气流有一定导向作用。由于实际电机中空气流速在 0 30m/s，且开路式风洞装置结构简单易制，所以本实验采用开路式低速风洞设计。2端部绕组对流换热系数实验研究根据实验原理分析搭建的风洞实验系统如图 2所示。图 2风洞实验系统对于空冷电机，由于端部区域复杂的结构导致其流场计算难度增加。加之各类型电机的通风散热结构与端部绕组形状不同，因此为提高测试方法的普适性，本实验统一采用开放式流场，旨在测量电机主要部件在不同绝缘材料包裹下的局部对流换热系数。主要包括:定子铁芯端面轭部与空气接触面以及定子端部绕组表面。研究不同工况、不同风速和不同绝缘材料包裹对对流换热系数的影响，并总结规律。分别选取实际电机中较为常见的四组试样开展实验研究，为准确研究对流换热系数受不同影响因素的变化规律，各试样的绝缘工艺成型工艺均有所不同。其中试样 1、2、3 为成型线圈试样，绝缘等级分别为B、F、H 级，试样4 为散开线试样，具体试样材料及工艺见表 1 与图 3。具体实验流程为:(1)将风洞与风机中心线对齐，在风机出口处布置铝制蜂窝网，用喉箍将喇叭形帆布捆扎在风机与实验段入口;(2)确认风机安装牢固，接线安全情况下，打开风机检查是否有严重漏风情况，检查完毕关闭风机;(3)试样捆扎在支架上，并放置到风洞正中位置。保证试样前缘距离风洞入口约 150mm;在试样测点处使用导热胶和胶带布置并固定热流传感器，引线通过风洞钻孔点引出。(4)给试样通直流电加热，为保证实验安全，最大电流为 90A(电源线耐压 100A)，至试样表面温度为 100。(5)打开风机，按5m/s、10 m/s、15 m/s、20 m/s、25 m/s 的速度逐步增加风速(使用风速仪记录并控制风速)。为避免试样冷却速度过快，随着风速的增加随之 加 大 电 流 以 增 加 热 量。以 50A、60A、70A、80A、90A 电流分别对应上述风速。在每组风速稳定情况下，至测点温度稳定(半小时内变化小于 0.5)，记录热流传感器示数，使用风速仪记录风温。(6)关闭实验电源，关闭风机整理数据，计算对流换热系数。利用搭建好的实