CFD设置对凸极同步电动机转子温度场影响

1、CFD设置对凸极同步电动机转子温度场影响纲要：电机绝缘资料温升直接影响其运转的安全性和寿命.鉴于一种较大容量的空冷凸极同步电动机，采纳计算流体动力学（CFD）方法，成立了三维湍流流场及转子温度场计算模型，对电动机转子磁极上铜与绝缘构成的绕组主体的间隔层叠构造进行简化，研究了转子磁极上铜绕组主体的间隔层叠构造等效热导率的计算方法以及端部肋片间周期性界限对凸极同步电动机温度场结果的影响，并与实验结果比较，考证了数值模拟结果的正确性.结果表示：凸极电动机转子磁极的等效热导率算法及端部肋片间界限设置直接影响温度场计算结果正确性.重点词：等效热导率；周期性界限条件；数值模拟；转子温度场；凸极同步电动机D

2、OI：中图分类号：TK121文件标记码：A文章编号：1007-2683（2015）03-0091-06O引言凸极同步电动机在矿山、石油、化工等对靠谱性要求较高的领域获取了宽泛应用，在电动机的起动和调速问题研究方面：文采纳有限元法，对凸极同步电动机起动时二维电磁场的数学模型进行计算，获取了阻尼条中电流值及起动过程中随时间变化的电机内温度场散布；文采纳有限元法，剖析了实心凸极同步电动机的直接起动过程.在电动机内部的流动与传热问题研究方面：文采纳等效风路法对大功率凸极发电机进行了传热优化，找到了冷却成效较好的流动构造；大型水轮发电机转子与凸极同步电动机转子构造相像，文采纳CFD方法对大型水轮发电机转

3、子半个轴向段的流体场与温度场进行了计算，经过数值模拟剖析了挡风构造对涡流的减弱作用及对励磁绕组冷却成效的影响；文采纳CFD技术对三峡水轮发电机空气流场进行了数值计算，充分展现了空气在电机内的实质流动状况；文联合等效风路法和有限元计算方法针对大型水轮发电机转子三维温度场及通风系统进行了综共计算研究及构造优化；文采纳CFD技术研究了凸极同步电动机的流场及温度场，剖析了电机内冷却空气的流量散布比率及温度散布特色，指出了峰值温度地点；文对电机气隙的对流传热研究进行了综述，说了然电机中热剖析的重要性，指出关于有限元法与等效风路法而言，模型表面上的对流传热系数是特别重要的；文对电机内的对流传热和流动阻力公

4、式进行了综述，为流动与传热公式的选用及参数设定供给了指导.在CFD数值模拟的正确性问题研究方面：文采纳CFD对大型水轮发电机通风系统及转子温度场进行数值模拟，得出CFD能较正确地模拟发电机通风系统的流场；文分别针对沟通发电机和同步发电机成立了CFD模型，模拟了二者内部的流体流动状态和热传达效率，结果都与实验数据符合，证了然数值模拟的可行性和正确性；文研究了湍流模型变化对汽轮发电机转子温度场的影响；文应用CFD软件对空冷发电机定子温度场进行了计算，并经过与试验结果对照考证了计算结果的正确性；文测量了电机端部绕组热传达数值，获取对流换热系数，并与CFD软件湍流模型下数值模拟结果进行了剖析比较，证了

5、然CFD软件的正确性.综上可知，鉴于有限体积法的凸极同步电动机CFD流固耦合模拟中CFD的有关设置研究国内外还相对较少，且在上述文件中，关于凸极电动机的典型构造，即转子磁极上铜与绝缘构成的绕组主体的间隔层叠构造简化后的等效热导率的计算和端部肋片间周期性界限设置也不尽同样，急需进一步剖析研究.本文以一种较大容量的空冷凸极同步电动机为研究对象，鉴于有限体积法，对转子三维流动与传热耦合问题进行了计算，剖析了转子磁极上铜绕组主体的间隔层叠构造的等效热导率、端部肋片间周期性界限对凸极同步电动机转子温度场数值模拟结果的影响，为成立凸极同步电动机正确的CFD数值模拟方法供给了参照.物理模型本文以一种较大容量

6、的空冷凸极同步电动机为研究对象，该电机内冷却介质为空气，空气经轴流电扇加压后由两头沿轴向对称流人电机开始循环，电机内部空气沿三条路径进行冷却.通风系统如图1所示.本文成立包含转子主轴、磁极、绕组、绝缘、磁极散热肋片、撑块、极靴、气隙等的完好转子模型以及定子部分的通风冷却构造.因为电机轴向左右构造对称，而且采纳轴向对称通风方式，冷却空气沿圆周方向以90为流体运动周期，所以取电机轴向1/2，周向1/4的构造为物理模型，如图1.为了清楚表示出转子的部署及构造特色，给出转子零件局部放大图，如图2.物理模型的坐标原点位于转子转轴中心对称面的几何中心处，合理的物理模型是数值模拟正确的前提保障，在流场计算时

7、，为了防止未知界限条件的假定，除去人为偏差，物理模型在转子零件及风道构造基础上增添了定子通风构造，即采纳完好的通风系统，进而保证电机内冷却介质依据实质风路的风阻大小自动分派空气流量，使流场计算不失真，在电动机通风系统中，对各部分流量分派及流速、压力大小起决定性作用的是流动阻力（包含局部阻力和沿程阻力），电动机尺寸确立后沿程阻力基本不变，流通面积越小处，局部阻力越大，电动机定子机座环板通风孑L直径较小，数目较少，其局部阻力远大于定子端部绕组的局部空气流阻，所以在物理模型中，忽视了定子端部绕组构造，该简化其实不会改变电机内部整体的空气流动特征.物理建模过程中充分考虑了建典范围能否能完好表现实质运转

8、工况，界限面的选取及界限条件的设置以及局部构造简化能否合理等问题，均是CFD数值模拟计算需要考虑的重点问题.2数学模型及求解条件2.1基本假定1）电动机内流体的流动，遇到的重力作用远小于离心力、科氏力等作用，所以，忽视重力对空气流动的影响.2）电动机内空气流速远小于声速，即马赫数小于l，可以为流体不行压缩，不考虑密度变化.3）依据厂商供给的配套电扇风压，经计算，空气在电动机内循环过程中，Re8000，处于湍流、流动恒定的状态，本文仅研究稳态.2.2数学模型电动机内旋转坐标系下湍流流场计算时采纳稳态流动控制方程组，包含质量及动量守恒方程式，绝对速度矢量M与相对速度矢量的关系式，见文.固定直角坐标

9、系下，描绘湍流问题的控制方程组也包含质量、动量守恒方程；描绘湍流流动的湍流时均方程采纳标准双方程模型，见文.欲求得转子地区固体零件和冷却流体的温度散布，须先计算固定与旋转坐标系下的空气速度场，在冷态流场计算基础上增添能量方程.2.3计算条件电动机冷却介质为空气，在转子转速为1500r/min的额定工况下，考虑风摩消耗等，设定人口空气温度为50C；流场计算人出口界限条件采纳鉴于一维Flowmaster软件计算获取的电扇后进口（空气表压为213lPa）与定子出口（即冷却器人口空气表压力245Pa）压力作为界限条件；额定电流下，经电磁场计算获取的整机转子铜耗、极靴表面杂散消耗分别为76.9kW、27

10、.63kW.经换算，铜绕组、肋片、极靴表面热源值分别为，1364698.32W/m3.轴向中心对称面设置为对称界限条件，圆周方向0和90界限设置为周期性界限条件；计算时转子地区所有流体与固体壁面交界处均为耦合对流界限，对流换热系数不需设定，由换热微分方程求得，其余外界限面均为固体壁面种类，所有界限条件表达式，见文.计算过程中，以为电动机内资料物性参数均为常数，模型中波及的散热匝肋片（铜）、撑块（铝）、绝缘、轴（锻钢）的热导率分别为387.6、202.4、0.22、31.8，单位均为W/（m.K）.物理模型成立达成后，对其进行网格区分，经多次改正，获取的整体网格质量较好.计算时方程失散采纳二阶迎

11、风格式，压力速度耦合采纳SIMPLE算法，采纳标准壁面函数法办理近壁面地区，近壁面第一个网格高度y+知足所用函数要求.经多次改正网格种类和逐渐加密网格并试算，获取整机1/8三维冷态流场及转子湍流流动与传热耦共计算的网格独立收敛解.数值模拟结果及剖析3.1等效热导率算法对温度场计算结果的影响因为转子磁极上绕组叠片中的铜层与绝缘层厚度相差很大，单个磁极铜和绝缘层体数目达到145层之多，给建模及网格区分带来很大困难，所以本文探究将铜绕组主体的间隔层叠构造简化为一个体，此时，其稳态温度场导热物性参数即等效热导率的算法成为影响温度场的重要要素，本文进行了3种等效热导率算法比较研究.算法1：以为简化后的体

12、各向同性，热导率按径向厚度比采纳加权均匀法计算，即：，算得A等效数值为350.14W/m.K）；算法2：关于简化后的体，考虑垂直磁极方向铜与绝缘资料为叠片形式相间部署，实质运转中该方向温差较大，源于热导率降低明显，与其余双方向（直角坐标系）差别较大，采纳厚度调解均匀法计算，由，其余两轴方向按数值较大的资料铜设置，算法3：联合算法1、2，垂直磁极方向热导率数值采纳鉴于厚度的调解均匀算法，数值为2.64W/（m.K），考虑其他双方向绝缘层与铜层为平行导热关系，假如所有依据热导率数值大的资料铜设置计算，绝缘层的热导率数值被人为放大的倍数较大，因为绝缘层在磁极体积中占比较小，其余两轴方向热导率数值（3

13、50.14W/（m.K按加权均匀算法计算，达到修正的目的.计算结果表示三种算法对进入电机的空气体积流量的影响基本可忽视，对温度场影响不可以忽视，表1给出了磁极简化体等效热导率三种方法的表示温度场特色的物理量计算统计结果.由表1可知，采纳各向同性的加权均匀法的算法计算结果偏低，原由是垂直磁极方向上铜和绝缘资料热导率相差悬殊，387.60.22，依据这类计算方法算出的热导率是由热导率大的物体所决定，明显不切合传热学基来源理，鉴于调解均匀法的算法2与算法3中的等效热导率是由导热热阻大的物体决定的，切合导热热阻串连叠加的传热规律，获取的峰值温度数值与实质丈量均匀温度的结果符合，且数值相差较小，原由是非

14、垂直磁极方向热导率数值变化不大，这与理论剖析的结果一致.图3给出了等效热导率算法分别采纳算法1和算法3时，铜绕组的温度散布云图，由图可知：采纳算法3计算的温度散布趋向是沿流动方向（轴向）温度渐渐高升，最高温度位置在中心对称面处的背风侧绕组中，铜绕组温度数值最高为129.9，较采纳算法1计算时的最高温度高升7.0.绕组轴向最大温差为61.9，较采纳算法l计算时的最大温差提升了6.9；垂直磁极方向温度梯度大，最大温差为28.9，较算法l计算时的最大温差提升了23.9.说明等效热导率采用算法3即正交各向异性的调解均匀法（垂直磁极方向）和加权均匀法（非垂直磁极方向）计算后，绕组温度高升，与实质状况相切

15、合.3.2端部肋片间周期性界限对计算结果的影响考虑凸极电机独有的端部散热片构造，在设置界限时容易将散热片间的空气界限面忽视设置，此时系统默以为绝热壁面，本文将该种状况同正确设置为周期性界限状况进行了比较，以便同类研究参照.在磁极混淆体等效热导率依据算法设置和其余流体周向界限都设置为周期性界限的基础上，对圆周方向0和90界限面端部散热肋片间空气界限设为默认壁面，与设为周期性界限条件的状况进行对照计算，图为转子端部肋片90界限面的表示图，周期性界限的设置正确与否直接影响转子重要零件的温升计算.如图5所示为两种界限条件下转子绕组和肋片的温度散布云图，图中标出的数据为各零件最高温度值.由图可知，端部肋

16、片0与90地点处周期性界限设置下算得的绕组峰值温度要高于默认界限设置下的峰值温度.原由是两种设置对端部及磁极间流速散布影响明显，当采纳默认设置时，磁极间空气流速大，绕组温度低；当采纳周期性设置时，端部0与90地点处均匀流速降低，见图6，致使两极绕组、肋片的温升差距增大，与实质状况符合.计算结果更安全靠谱，保证电机的连续稳固运转.3.3结果正确性剖析转子磁极上铜绕组主体的间隔层叠构造的等效热导率采纳正交各向异性的调解均匀法（垂直磁极方向）和加权均匀法（非垂直磁极方向）计算，端部肋片间空气周向界限面设置为周期性界限时，电动机冷却空气流量为26.4m3/s，与哈电机研究所计算获取的流量基真同样，其采纳Flowmaster软件计算，结果为25.8m3/s，二者相差2.4%.经过计算得：磁极等效热导率采纳算法3各向异性假定时，绕组的体积均匀温度为385.2-273.15=112.05，绕组温升为72.05，该计算数据与出厂前的转子磁极绕组热阻法温升实验丈量数据78对比较，低5.95，偏差在7.6%以内.说明转子磁极上铜绕组主体的间隔层叠构造的等效热导率采纳正交各向异性的调解均匀法（垂直磁极方向）和加权均匀法（非垂直磁极方向）计算、端部肋片间空气周向界限面设置为周期性界限时，计算结果偏差更小.4结论以国内一种较大容量的空冷凸极同步电动机为例，将铜绕组主体的间隔层叠构