中型高压电机轴径向混合通风结构的强化散热特性模拟_彭德其.pdf

年第 卷 月第 期机 械 科 学 与 技 术 ：收稿日期：基金项目：湖南省战略性新兴产业项目（）作者简介：彭德其（），教授，硕士生导师，研究方向为过程强化与节能环保，彭德其，周晓辉，晏才松，等中型高压电机轴径向混合通风结构的强化散热特性模拟机械科学与技术，（）：中型高压电机轴径向混合通风结构的强化散热特性模拟彭德其，周晓辉，晏才松，李广（湘潭大学 机械工程学院，湖南湘潭；中车株洲电机有限公司，湖南株洲）摘要：为了提升电机的通风冷却性能、降低其运行温升，以一台 中型高压电机为例，采用轴径向混合通风结构，通过磁流固耦合模拟研究整体电机稳态条件下温升影响规律，提出温升均匀性系数对两种通风结构的冷却效果进行量化评价。研究结果表明：相对于轴向通风结构，混合通风结构温升分布更加均匀，在电机内层和外层绕组温升均匀性系数分别提高了 和；进一步探讨了径向风道高度及数量对电机温升的影响，径向风道高度为、径向风道数量为 个时冷却效果最好。关键词：中型高压电机；磁流固耦合；混合通风结构；径向风道；强化散热中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；随着现代电机电磁负荷增强，电机内各部件温度也相应升高，温升过高则会直接影响电机使用寿命和运行稳定性。因此，研究风冷方式电机内温升的计算及通风散热结构的优化具有重要意义。目前国内外学者通过有限元法及有限体积法对电机流固耦合场计算取得了显著成效。丁树业等通过有限体积法研究揭示了具有径向通风结构的 双馈风力电机内流体流变特性及传热规律；霍菲阳等研究了大型空冷汽轮发电机定子径向风道数量和尺寸对电机的温升分布特性影响；李伟力等基于流固耦合的方法分别分析了汽轮发电机和永磁电机径向通风沟数量与结构对定 转子内流体流动与温度的影响。等通过改变大型汽轮发电机定子径向通风沟尺寸和通风槽钢材料提高定子冷却效果。等采用流动网络法和有限体积法研究了 大型汽轮发电机端部通机 械 科 学 与 技 术第 卷：风结构的改变对表面换热系数和端部温度的影响。以上都为集中于大型电机（定子铁芯外径大于）的流热特性研究，但中型高压电机结合流体场和温度场相关研究的成果相对较少。大型电机一般体积较大且转速较高，为有效降低温升通常采用径向通风冷却；而中型高压电机（定子铁芯外径在 之间）转速与体积都较小，故采用轴向或轴径向混合通风结构冷却散热，三种通风结构风道结构形式截然不同，致使电机内流体流动和温升分布差别明显，因此需要对中型高压电机进行深入研究。温嘉斌等以 型中高压异步电机为例，探讨了定子通风槽钢对单个径向风道内流体流动形态及温度场的影响，并分析内风扇内流体流动，但并未对电机整体进行研究，所以开展基于磁流固耦合研究中型高压电机通风冷却结构优化具有重要的工程设计理论指导意义。本文以一台 中型高压感应电机为例，提出新型轴径向混合通风结构，并通过对比分析定转子径向风道的高度与数量影响，得到最优冷却结构组合方案，为中型高压感应电机的通风结构优化设计及温升特性分析提供了理论依据。样机的基本参数及热源计算方法 电机基本数据以一台型号为，额定功率为 的感应电机为例，建立了该电机的三维温度场模型，其基本参数如表 所示。表 电机基本参数 参数数值功率 转速（）定子内外径 转子内外径.气隙长度.铁芯长度 热源计算方法样机稳定运行时的损耗值会转化为热源，同时通过电机各部件与周围环境进行换热。采用电磁流体固体耦合计算，通过 进行电磁场计算，得到电机各部件损耗（铁芯损耗、定 转子铜耗及杂散损耗），在 平台利用磁热耦合方法将损耗映射到电机各部件作为热源，而杂散损耗主要集中于定 转子齿部，分为杂散铁损耗与杂散铜损耗，按定 转子齿部各 施加热源。电机三维温度场的数值计算 基本假设在三维温度场计算过程中，在不影响计算结果情况下进行简化求解，做如下假设：）只研究电机稳定状态时的空气流动；）电机内部空气雷诺数 ，是湍流，经计算电机在该工况下采用标准 模型进行求解更合适；）电机内冷却空气流速远小于声速，不考虑冷却空气的压缩性；）电机定子绕组端部采用拉直等效替代；）对绕组绝缘以及层间绝缘等效为一个绝缘层；）计算模型中的各项材料的物性参数不随温度变化；）定子内外层绕组加载相同热流密度，忽略其集肤效应。求解域物理模型根据该电机结构周向对称性特征，在基本假设基础上，取电机周向 区域作为电机计算域物理模型，电机的物理模型如图 所示。电机现在采用轴向通风冷却方式，在电机一侧端部设有离心风扇，使得冷却空气在电机内部沿轴向方向经气隙及转子轭部风道循环流动。图 样机物理模型 温度场计算边界条件温度场模拟计算采用流固耦合数值方法，电机温度场模拟边界条件如下：）入口边界条件设置成速度入口，根据电机给定的总冷却风量和入口截面积确定，为 ；）出口边界条件设置成压力出口，初始压力为标准大气压；）电机周向截面边界设置为绝热面；）转子部分流体转速与电机额定转速相同，设置为 ；第 期 彭德其，等：中型高压电机轴径向混合通风结构的强化散热特性模拟：）设置环境温度为 ；）旋转流体域两侧边界设置为旋转壁面，设置相对速度为（相对于旋转流体域），静止流体域边界设置为静止壁面，旋转区域与静止区域相邻边界设置为交界面。气隙处理及散热系数的确定图 为气隙流场剖面图，分为旋转和静止两个区域，旋转区域靠近转子，静止区域靠近定子，旋转区域跟随转子流体域同步转动，与转子流固耦合面设置为 ，相对速度设置为。图 气隙剖面图感应电机转子旋转带动气隙中空气流动，使得温度场与流体场耦合，用空气的散热系数来描述气隙内静止区域气体的热交换能力，旋转区域空气的散热系数表达为：.（.）（）（）（）式中：，为转子铁芯外径，为定子铁芯内径；为气隙长度；为电机转速；为空气运动黏度系数。温升仿真计算结果分析 网格无关性和模型验证为验证网格无关性，分别使用数量为、和 这 种网格方案进行模拟计算，通过对比绕组温升来选择最优网格数量。保证边界条件相同，模拟结果如表 所示。表 网格无关性验证网格数量 绕组温升 .当网格数由 增加至 时，绕组温升变化仅有.，综合考虑计算机性能及计算精度，最终选择 网格进行后续计算，网格划分情况如图 所示。图 网格划分为了证实模型和求解器的准确性，对该电机稳定运行时温升最高处（定子绕组处）进行温升监测，模拟得到定子绕组温升为.，符合本文电机绝缘等级要求，厂家提供的样机试验得到定子绕组温升试验值为.，两者存在误差为.，在可接受误差范围内，因此证实模型和求解器合理。样机温度场结果与分析样机温度分布如图 和图 所示。图 电机整体温度分布 图 定子铁芯温度分布由图 和图 可知，样机定子部分温升较高，最高温升出现在定子绕组处为.，而电机两端和转子部分温升相对较低。主要原因是冷却空气首先从电机一端进入进行冷却，然后经转子轭部通风孔及气隙进入电机内部，直接冷却转子铁芯，进而通过热传导方式间接冷却定子铁芯、转子导条和定子绕组，此时电机整体温度从电机进风区域沿轴向逐渐升高，这是由于冷却空气吸收热量使自身温度升高，冷却能力逐渐降低。接近出风口处，由于铁芯侧面和绕组端部与冷却空气直接对流接触，冷却能力提升，温度降低。定子绕组温度分布和定子绕组沿轴向温升分布如图 和图 所示。从图、图 中可得，定子绕组温升沿轴向长度表现为先增大后减小规律，最大温升位于靠近出风口端部位置，达到.。整体而言，靠近电机出风口端部位置定子内外层绕组温升相差较小，但是越靠近电机进风口处，内层绕组温升越小，这是因为冷却空气刚进入端部区域时，首先吹拂定子内层绕组、冷却效果好，冷却空气进入转子轴向风道后虽然距离内层绕组近，由于定子铁芯部分机 械 科 学 与 技 术第 卷：没有通风道，且此时冷却空气温度较高，对内外层绕组冷却能力相差很小。图 定子绕组温度分布图 定子绕组沿轴向温升分布 混合通风冷却结构对电机温升的影响样机温度场的计算结果没有超过电机的绝缘等级 的温升限度，满足设计要求，但轴向通风结构的通风损耗较大、沿电机轴向温度分布差异大，局部温度过高。因此，保持电机总体外部尺寸和铁芯长度不变，提出在定 转子铁芯添加径向风道方案，降低通风损耗，且提高温度分布均匀性，根据其轴向与周向对称原则，取电机周向，轴向 区域作为其计算域物理模型，如图 所示。图 混合通风结构电机物理模型中型高压电机通风槽钢高度一般为 ，厂家规定每段铁芯长为 ，这一方面取决于冷却系统的冷却能力和风阻，另一方面取决于设计加工影响。在此参数基础上进行优化研究，以获得更合适的径向风道高度及数量。根据通风槽钢规格及厂家所给数据，该类型电机径向风道高度通常选为 ，径向风道个数由铁芯长度决定为 个。建立了径向风道高度为 、和径向风道数量为 个、个、个的三维仿真模型，各模拟模型的边界条件除电机各部件损耗外都相同。电机所需风量为（）式中：为电机通风量；为电机所产生的热损耗；为空气比热容，.（）；为空气密度，.；为冷却空气通过电机后的温升，一般可取 。首先模拟计算径向风道高度为 、径向风道数量为 个，通过计算得到电机所需 风 量 为.，根据冷却风量和入口截面积可知入口风速为.，其它边界条件与.节设置相同。为了分析沿轴向径向风道内流体特性，分别取 号和 号径向风道中心截面作为观察面，其流速分布如图 所示。图 径向风道内流速分布第 期 彭德其，等：中型高压电机轴径向混合通风结构的强化散热特性模拟：由图 可知：）沿轴向方向流体的速度分布趋势一致，号和 号风道流速最大值分别为 、，即沿轴向方向电机中部流量最大，越靠近两端流量越小。）转子部分冷却空气流速明显大于定子部分，沿径向，转子冷却空气流速增大，在气隙处达到最大值。）因为定子通风槽钢存在，定子部分的迎风面冷却空气流速大于背风面流速，但沿径向方向流速变化不大。这是由于冷却空气从进风口流入电机端部及各径向风道，转子旋转产生离心力，转子部分内流速沿径向不断增加，最大值位于气隙处。定子部分受进风口流速及转子旋转影响较小，所以径向上流速变化缓慢。对比图 与图，两种方案都是电机绕组部分温升最高，而电机转子部分及端部温升相对较低。但相较于样机的轴向通风结构，混合通风结构的电机整体温度分布呈现以电机铁芯为中心、两端温度对称分布，且分布均匀。图 表示定子铁芯温度分布，整体温升变化不大，即铁芯中间温升低，两端温升高，最高温升出现在靠近端部的位置，达.。图 混合通风结构电机 整体温度分布 图 混合通风结构定子 铁芯温度分布由图、图 可知，沿电机轴向，内层绕组温升呈现先增大后减小的特征，外层绕组为逐渐减小并趋于平缓，最大值在绕组端部处为.。离电机端部位置越近，内层绕组温升明显低于外层绕组，靠近电机中间位置定子内 外层绕组温升相差不大，这是由于冷却空气刚进入电机端部气腔时，首先吹拂定子内层绕组，冷却效果好，冷却气体进入径向风道后虽然也是首先冷却内层绕组，但是定子径向风道内空间狭窄，并且此时冷却气体因吸收热量温度升高，对内 外层绕组冷却效果偏差较小。图 混合通风结构定子绕组温度分布图 混合通风结构定子绕组沿轴向温升分布为评价量化两种冷却方案温度分布均匀性，提出温升均匀性系数 为 （）（）式中：为取样点个数；为平均温升；为取样点温升。根据图 和图 中电机绕组沿轴向各点温升，计算得轴向通风结构电机与轴径向混合通风结构电机内 外层绕组温升均匀性系数如表 所示。表 两种结构温升分布均匀性系数均匀性系数 轴向通风结构轴径向混合通风结构提高幅度 内层绕组.外层绕组.由表 可知，混合通风结构电机温升分布较原电机均匀性大大提高，其中内层绕组提升.，外层绕组提升.，且内层绕组较外层绕组温度分布均匀性更好。当达到相同冷却效果时，混合通风结构所需总冷却风量为.，入口速度.，压降为，而样机所给定总冷却风量为.，入口速度 ，压降为 ，混合通风结构极大降低了压降，减少通风损耗，且电机温度分布更均匀，因此轴径向混合通风结构优于样机冷却结构。机 械 科 学 与 技 术第 卷：径向风道高度对电机温升的影响继续选择 个径向风道，分析径向风道高度对电机温升的影响，模拟边界条件除热源外相同，包括入口速度和出口压力等。径向风道高度由通风槽钢标准所决定，