紧凑型高压感应电机起动温升的场路结合计算

紧凑型高压感应电机起动温升的场路结合计算摘要紧凑型高压感应电机是在中型高压感应电机的基础上研发出来的新产品，研发设计的目的是减小电机体积并提高功率密度，与普通的高压感应电机相对比，在相同的容量下其中心高平均下降两个等级，所以功率密度会增加。根据电机几何原理的相似定律，电机内功率密度增高势必会导致内部的温升问题突显出来，如果温升过高，电机内部容易出现短路、放电等故障，严重的还会造成电机烧毁。因此需耍准确地分析电机内的温度场和流体场。电机的起动过程为动态过程，电机内流体运动及发热情况是随时间变化的，本文采用场路结合的方法，对高压感应电机起动时的温升变化进行研究。以YJKK500-4、2500kW紧凑型高压感应电动机为例，首先用坐标变换和矢量变换的方法对电机的动态问题进行了分析，推导出感应电机的动态方程。根据动态方程理论对电机带不同负载起动时损耗的具体变化进行计算分析，并将结果作为瞬时热源加载到仿真计算中。然后对电机散热情况进行分析，本文采用建立风阻网络的方法计算电机内风量的匹配和各部分的风速分布，为场的仿真分析提供散热依据。最后将前两者与有限元仿真有机的结合起来,根据电机的实际结构尺寸进行建模，依据流体力学和热力学的基本原理对流体场及温度场进行仿真求解，分析起动时不同时刻电机内的温升情况。采用场路结合的算法，解决了瞬态过程电机内热源及流体边界条件加载复杂的问题，提高了电机起动过程流体场和温度场计算的准确性，对起动过程中电机通风沟内流体的流动情况以及温升的变化情况有了更加清楚的认识，保证了电机的设计合理性也一定程度保障了电机的安全运行。关键词高压感应电机；流体场；温度场；风阻网络；场路结合Field-circuitCoupledCalculationofTemperatureRiseforHigh-VoltageInductionMotorwithCompactTypeinStartingProcessAbstractHigh-voltageinductionmotorwithcompacttypeisanewproductdevelopedbasedthemedium-sizehigh-voltageinductionmotors,withpurposeofreducingthesizeofthemotoraswellasincreasingthepowerdensity.Thecenterheightofhigh-voltageinductionmotorwithcompacttypeisreduced,underthesamecapacity,bytwolevelsonaveragewhencomparedtoordinaryhigh-voltageinductionmotors,thusitspowerdensitycanbeimproved.Accordingtogeometricalsimilaritylaw,theincreasingofthepowerdensitywillcertainlyleadtotheproblemofinternaltemperaturerise.Ifthetemperatureistoohigh,failures,suchasdischargingandshortcircuit,wouldoccurinsidethemotor,whichwouldevenburndownthemotor.Anaccurateanalysisonbothfluidandtemperaturefieldsinsidethemotoristhereforerequired.Startingamotorisadynamicprocess,duringwhichthefluidmotionandheatinginsidethemotorarechangingovertime.Inthisarticle,westudiedthechangesintemperaturerisewhenstaringthehigh-voltageinductionmotorbyusingafield-circuitcoupledmethod.WetooktheYJKK500-4,2500kWcompactmotorasthecaseforourstudy.First,wemadeuseofboththecoordinatetransformationandvectortransformationanalyzesthedynamicstateofthemotorandtoobtainthedynamicequation.Basedonthedynamicequationtheory,weinvestigatedandcomputedthespecificchangesinofthemotorunderdifferentloads,andtooktheresultsastransientheatsourceforsimulation.Next,weanalyzedtheheatdissipationofthemotor.Inthisstudy,webuiltawind-resistancenetworktofigureoutthematchingofthewindvolumeandthedistributionoftheweedspeedinsidethemotor,withintentiontoprovideinformationofheatdissipationfbrsimulation.Finally,wecombinedthefiniteelementsimulationwithaboveanalysis.Themodelwasbuiltonactualstructureandsizeofthemotor.Thefluidfieldandtemperaturefieldweresimulatedbyusingbasicprinciplesoffluidmechanicsandthermodynamicstostudythetemperatureriseofthemotoratdifferentmoments.Thefield-circuitcoupledalgorithmcansimplifythecomplexityinloadingboundaryconditionsofmotor'sheatsourceandfluidduringatransientprocess,thuscanimprovetheaccuracyofcomputingthefluidfieldandtemperaturefieldduringstartingthemotor.Hencewehaveamoreclearunderstandingonfluidmotioninventilatingductsofthemotoraswellasonchangesintemperaturerise.Inthiswaywecanensurethereasonablenessofdesignandcanguarantee,tosomeextent,thesafetyofthemotor.Keywordshigh-voltageinductionmotor,fluidfield,temperaturefield,wind-resistancenetwork,Field-circuit-in-TOC\o"1-5"\h\z摘要 IAbstract II\o"CurrentDocument"第1章绪论 1\o"CurrentDocument"课题研究的意义 1\o"CurrentDocument"国内外研究现状 2\o"CurrentDocument"高压感应电机起动特性的研究现状 2\o"CurrentDocument"高压感应电机起动过程流体场和温度场的研究现状 3\o"CurrentDocument"课题的主要研究内容 4\o"CurrentDocument"第2章高压感应电机起动过程损耗的分析 6\o"CurrentDocument"高压感应电机内基本发热热源 6\o"CurrentDocument"高压感应电机动态模型建立与计算方法 7\o"CurrentDocument"电机矢量变换和坐标变换的基本理论 8\o"CurrentDocument"电机动态基本方程的建立及求解方法 9\o"CurrentDocument"利用动态模型计算高压感应电机起动时热源损耗 11\o"CurrentDocument"本章小结 14\o"CurrentDocument"第3章高压感应电机起动过程散热的分析 15\o"CurrentDocument"电机通风结构 15\o"CurrentDocument"电机内流量的分布和散热计算 15\o"CurrentDocument"电机内风阻网络模型的建立 16\o"CurrentDocument"风阻网络的求解及结果分析 18\o"CurrentDocument"本章小结 20\o"CurrentDocument"第4章高压感应电机起动过程流体流动与传热的仿真分析 21\o"CurrentDocument"高压感应电机三维计算模型的建立 21\o"CurrentDocument"计算模型网格的剖分 23\o"CurrentDocument"仿真计算的基本假设和边界条件的设定 24\o"CurrentDocument"基本假设 24\o"CurrentDocument"瞬态场边界条件的设定 24\o"CurrentDocument"UDF在瞬态场计算中的应用 26\o"CurrentDocument"高压感应电机起动过程中流体场分析 27\o"CurrentDocument"高压感应电机起动过程中温度场分析 29\o"CurrentDocument"额定负载起动时定子绕组和绝缘层的温度场分析 30\o"CurrentDocument"额定负载起动时定子对流面散热系数分析 30\o"CurrentDocument"不同负载起动时的温度场分析 31\o"CurrentDocument"本章小结 31\o"CurrentDocument"第5章基于免疫遗传算法的潜油电机优化设计软件开发 33\o"CurrentDocument"课题研究的意义 33\o"CurrentDocument"国内外研究现状及发展趋势 34\o"CurrentDocument"潜油电机的国内外研究现状 34\o"CurrentDocument"优化算法的国内外研究现状 36\o"CurrentDocument"课题的来源及主要研究内容 37\o"CurrentDocument"第6章免疫遗传算法原理 39\o"CurrentDocument"免疫遗传算法原理 39\o"CurrentDocument"免疫遗传算法流程分析 41\o"CurrentDocument"免疫遗传算法在数学模型上的应用 42\o"CurrentDocument"本章小结 44\o"CurrentDocument"第7章免疫遗传算法在潜油电机优化中的应用 45\o"CurrentDocument"电机优化的数学模型 45\o"CurrentDocument"优化设计的目标函数 46\o"CurrentDocument"约束条件及其处理方法 46\o"CurrentDocument"优化变量的选取 48\o"CurrentDocument"IGA优化程序设计 49\o"CurrentDocument"实例计算 52\o"CurrentDocument"电机优化过程的参数选用 52\o"CurrentDocument"基于免疫遗传算法优化设计的结果与分析 54\o"CurrentDocument"基于RMxprt的定转子参数分析 56\o"CurrentDocument"本章小结 57\o"CurrentDocument"第8章潜油电机优化软件开发 58\o"CurrentDocument"电机优化设计软件的实现 58\o"CurrentDocument"硬件环境 58\o"CurrentDocument"软件环境 58\o"CurrentDocument"电磁设计模块 59\o"CurrentDocument"程序输入界面的设计 59\o"CurrentDocument"程序结果的输出 60\o"CurrentDocument"温升设计模块 61\o"CurrentDocument"等效热阻计算 61\o"CurrentDocument"温升模块的界面设计 62\o"CurrentDocument"电机冲片图的绘制 63\o"CurrentDocument"本章小结 63\o"CurrentDocument"结论 64\o"CurrentDocument"参考文献 66\o"CurrentDocument"攻读硕士学位期间发表的学术论文 73\o"CurrentDocument"致谢 74第1章绪论课题研究的意义中国是世界电机制造多产国，特别是重工业有很大规模的经济体，因此电机与功率消耗的比重都很高叫从全世界电机技术的发展需求来看，为满足高运转率的发展趋势，规模化生产配套设备的高压高效电机逐渐成为发展的主要方向。由此电机必须向具有高功率密度、高性能、大容量和高压的方向发展。随着中国电机设计和制造技术的成熟，高效高压电机将发展成一个高科技、竞争激烈的行业⑵。为了实现电机效率的逐步提升，需要电机产品不断的推陈出新，这同时也是一个国家重工业发展水平的衡量标准。从节能环保的角度来看，在国际上高效电机得到了广泛的认可和推广。在中国普通低效电机仍占有较大的使用比率。而在欧美等发达国家，已经基本普及了高效电机的使用巴目前较为常见的紧凑型电动机为YJKK系列中型高压感应电机，由于其研发过程中设计理念主要为高效率、体积小、低成本等特点，同YKK系列电动机相比，在相同的容量下其中心高平均下降两个等级，所以功率密度会增加。根据电机儿何原理的相似定律⑷，电机内功率密度增高势必会导致内部的温升问题突来，很容易造成绝缘层出现分层、脱壳、老化等现象，从而导致电机内部由于放电、短路而烧毁咒尤其是在电机起动的过程中，由于损耗大、散热差更容易导致温度大幅度升高。对电机起动时的电磁转矩、电磁参数及电流的变化情况进行分析是可靠计算电机内部发热情况的基础，同时采用有效的通风散热系统便可很好的避免电机发生故障。但是电机的起动过程是一个瞬态过程，会受到很多复杂因素地影响，电机内部各个物理场之间相互存在动态耦合的关系同，因此就需要建立某种动态的数学模型来对起动过程的损耗参数以及风速风量的变化进行准确的分析和研究。在此基础上，将得到的动态结果与有限元方法综合在一起，进行起动时电机内温度场和流体场的仿真研究，这样会准确可靠的预测电机的性能指标、运行的状况以及技术参数等，由此减少电机起动运行时冷却气体流动性能不佳以及内部温升过高这种影响电机安全可靠运行的情况发生。运用试验的方法对高压电机运行过程中的起动特性和起动过程的动态参数进行测取是非常困难的，所以需要有效可靠的方案来对高压电机进行仿真分析来取得。由于电机的起动过程是一个瞬态的过程，应基于动态的理论来进行计算分析，而不是工程中常运用的恒定参数的T型等效电路来分析。采用建立动态模型的特点是可以将三相绕组的效果用两个相互垂直、静止的两相绕组代替,并通过运算的变换，就能够进行三相电流和两相电流之间的运算。这样就将电机起动的瞬态问题转化为静态的形式，使计算分析的过程得到化简。这不仅要更全面的综合运用传统的流体力学，传热学，电磁学知识，还要在软件和硬件方面也都的到突破和提高。相信，随着各个学科的不断完善与发展，通过科学家和研究人员在电机领域的持续努力下，使更多新的方法以及理论得到普及应用，特别是在电机•体化深入物理学的研究，会给这个行业带来更为广泛的开拓空间。图1-1YJKK系列紧凑型高压感应电机实物图Fig.1-1PhysicalmapofYJKKserieshigh-voltageinductionmotorwithcompacttype国内外研究现状高压感应电机起动特性的研究现状紧凑型高压感应电机在起动过程中，电机内的阻抗、损耗、转矩、转速等参数都是随时间而变化的，这是与电机稳态运行最大的区别。因此，如果想要得到温度场和流体场在起动过程中准确的变化情况，分析计算高压感应电机的起动特性是非常关键的。起动转矩和转速是研究起动特性时反映感应电机正常输出的两项关键参数。准确计算起动时参数随时间变化的具体情况，对于可靠地分析电机的起动特性有着至关重要的作用⑻。获取曲线的方法途径比较多，-一般情况下可总结为三个方法来分析：.直接测量方法是指在测量三相感应电机转矩-转差率曲线时，被测电机在测量过程中逐步被加载负载，同时选取特定的测功机来测取转矩，再通过转速表或者测速器来测得电机这一时刻的转速，最后再根据被选择点的测试来描述电机的特性曲线或机械特性⑼。显而易见通过直接测量法求解存在很多的不准确和不便之处，从而导致误差出现的几率明显增加。.解析分析方法是基于经过归算后得出的感应电机型等效电路计算出来的，由于在型等效电路中定、转子的激磁电抗要远远大于漏抗，因此可以对激磁阻抗支路忽略不计，从而简化型等效电路，得出机械特性曲线计算的表达式[10].动态分析方法此方法是以电磁关系为依据的，对电机的开动过程进行分析，在计算时主要从两方面进行即稳态和瞬态，也就是电机在三项坐标状态下的电压方程，电机转动方程和静止时的运动方程在电机发动时转子的速度在逐渐的增加，在电机发动时会产生机械和电磁波的短暂变化，所以在分析电机的发动时，动态分析法是最合适的选择。美国E.F.Fuchs根据差分原理，深入的分析了影响三相感应电机起动性能的主要因素，并从中提炼和总结出各种因素的变化规律，但并没有详细计算电机的具体起动特性⑼。在中国，许多专家和学者也对感应电机作了大量研究，其中高景德通过探究电机的起动规律，总结了电磁处于静态和动态的变化趋势，然而由于未能合理进行负载参数校正，与负载实际变化的情况有着很大的差距。再加上当时缺乏先进的检测仪器和科学的计算方法，也就使得计算结果存在一定的局限性,⑶。基于饱和状态下的研究，比较成熟的要数加拿大的HanyMJabr构建了异步电动机等效模拟体系，分析了在此状态下电机的起动特性，并在此基础上深入剖析了绕线式的感应电机高压感应电机起动过程流体场和温度场的研究现状在对电机内的温度进行研究时，意大利Cannistra,G等学者利用有限元方法计算并分析了感应电机起动时鼠笼型转子结构的温升情况‘咒韩国Lee,Yangsoo等学者采用有限元方法也对感应电机的温度场分布情况进行了分析与计算i⑹；前苏联的Elin,D.G等学者对感应电机定子绕组的温度分布情况也进行了分析与计算国内学者汤蕴谬、迟速、陈季平和张大为等采用有限元分析法对大型水轮发电机定子温升最高段的三维温度场分布情况进行了分析计算,⑻。哈尔滨理工大学的周封等学者将有限元分析和流体的相似理论结合起来分析了中大型感应电机的定子三维温度场’⑼。李德基，白亚民等学者对汽轮发电机定子绕组槽温度场的分布进行了计算㈤。黄东洙等学者对高压防爆电机的定子温度场分布进行了分析计算⑶］。浙江大学的许承千和石中文等学者对大中型感应电动机的冷却和发热问题进行了深入的探讨㈤。在对电机内的流体进行研究时，M.Shan教授等人基于流体力学的计算理论计算了电机的冷却系统㈤。R.E.Ma教授等人对电机的气隙流体进行了理论和实践方面的分析已"。M.S.Rajagopal、RyuichiUjiie教授等人利用有限元的计算方法分析了在有径向通道时的冷却通风方式,并在理论上予以解释，同时发展了CFD理论在电机流体场计算时的应用.时我国魏永田教授等人采用网络矩阵法对处在高压高功率下的水轮发电机的内部通风冷却系统进行了改善切。哈尔滨理工大学的孟大伟、温嘉斌等人深入的研究了被广泛应用的YKK系列以及YJKK系列中型高压电机的流体场的性能，其中对通风槽钢位置对流体分布影响及改进以及YJKK系列电机全域流体分析对企业电机研发具有深远的战略意义®咒总之，在电机内部流体流动和温升研究方面，国内外学者具有很多丰厚的成果，但在计算电机起动过程的数值方面以及起动过程性能方面，进行过研究的学者寥寥无儿。本文采用场路结合的方法来对电机起动过程的流体场与温度场进行计算，这种方法优于传统的计算方法。传统方法一般是在电机达到稳态情况下进行计算分析的，这样就忽略了起动过程是随时间变化的瞬态过程，大大降低了计算结果的准确性。而本文使用的方法通过动态方程和风阻网络这样路的计算，得出损耗和冷却风量随时间变化的函数，为后续瞬态场的计算提供依据。在分析起动过程的流体与温度场时利用场路结合的方法，省时的同时也减少了计算量，不但得到了更准确的计算结果，求解环境也更加接近于电机实际运行的环境。课题的主要研究内容本课题的动态数学模型是根据紧凑型高压感应电机起动运行时的实际情况构建起来的，主要通过计算各项参数在高压感应电动机起动过程中的具体变化,从而推导出电机起动过程损耗的瞬态变化情况，并结合电机轴径向混合通风散热的实际结构，采用带有集中参数的等值风路求解风量的方法，把空气动力学的问题简化为由风压源和风阻构成的等效风路，这样一来对电机内风量的分配情况便能得到准确的计算。最后，将以上的分析结果与有限元仿真法结合起来,通过固流耦合的仿真计算得出电机起动过程中电机内部温升分布与流体流动的情况。本文以一台YJKK500-4、2500kW紧凑型高压感应电机为研究样机，研究的内容主要包括以下三个方面：.紧凑型高压感应电机起动时电机内的部分参数并不是按着规律性变化的，并且各种物理场相互耦合，所以要综合的分析各参数之间的变化情况，因此要建立可靠的动态数学模型就比较复杂。本课题为了简化数学模型，利用矢量法将三相感应电动机的动态数学模型进行坐标变换。根据起动特性的计算结果，计算出电机内各发热源的瞬态损耗。.根据电机实际的通风结构建立风阻网络模型，计算电机冷却系统内风量的分配情况及各处风速。为电机起动过程中流体场及温度场的仿真计算提供依据。.根据电机内流体具有流动及传热的特征，建立紧凑型感应电机的部分三维模型进行计算，给出基本假设并选择适当的边界条件，通过前两个方面的分析计算得出热源与散热的瞬态情况，并依据流体力学理论和有限元体积法，计算电机内各区域的温度与流体的耦合场，对电机内的温升和流体流动情况进行分析，分析并比较在不同负载下的温升情况，保证电机在安全负载下运行。第2章高压感应电机起动过程损耗的分析电机在运行时会产生损耗，而损耗都会转化为热量，不断地向周围介质传递，导致电机内部温度的升高。所以，准确计算电机内的损耗是分析温升的重要前提。在电机起动的瞬态条件下，电机内损耗积累量很大而电机转速又相对较低，导致此时电机内的温升很高，容易产生绝缘老化等安全故障。因此准确的分析电机起动过程中损耗的变化是非常重要的。对于紧凑型高压电机，测取电机的起动温升时若采用试验的方法则很难实现，在电机起动的实际过程中，随着电机转速的变化，转子中会产生较强的集肤效应，同时漏磁场饱和程度也会增大，这些都会导致转子漏抗值以及转子电阻之间的比值产生很大的变化。这些都会对损耗产生影响，从而影响温升分析的准确性18,需要选取切实可行地方法进行瞬态问题的仿真计算。本文采用建立动态模型的方法来解决瞬态场参数计算的问题，为温度场仿真分析时热源的设置提供依据。高压感应电机内基本发热热源感应电机内的各种损耗是感应电机发热的本质因素，所以要分析感应电机起动过程的温升情况，首先需要了解感应电机内部的具体发热情况，各种损耗的分布以及数值大小。感应电机的损耗主要有以儿类：.铁心损耗分为基本铁损耗和附加损耗。对于感应电机来说，只考虑定子铁心中的基本铁损耗，即主磁场变化时产生的铁心损耗。.空载时铁心中的附加损耗主要指由定子和转子开槽引起的气隙磁导谐波磁场在对方铁心表面产生的表面损耗和因开槽而使对方齿中磁通因电机旋转而变化所产生的脉振损耗。.绕组损耗是指工作电流在绕组中产生的损耗，也包括电刷在换向器上的接触损耗。.负载时的附加损耗这是由于定子或转子的工作电流所产生的漏磁场（包括谐波磁场）在定、转子绕组和铁心及结构件里所引起的各种附加损耗。.机械损耗它包括通风损耗（由转子旋转引起的转子表面与冷却气体之间的摩擦损耗以及安装在电机转轴上的或由于电机本身转轴驱动的风扇所需的功率）、轴承摩擦损耗和电刷与换向器或集电环之间的摩擦损耗刖。由于电机的起动时间相对很短并且电机多处于低速旋转的状态，因此有些损耗的变化对温升的影响不大，本文主要对下面的损耗进行详细的计算分析：.基本铁耗由于产生的原因不同，铁心基本损耗可以分为涡流损耗和磁滞损耗。用表示铁心损耗，即：(2-1)对于一般的电工钢片，()为正常的工作磁通密度范围训，所以将(2-1)式近似地写成：(2-2)式中：为电机铁心的损耗系数；为电机铁心重量；为电机磁通密度。为了使计算更加方便，钢的损耗系数(单位为)通常按下面的数值方程计算:(2-3)式中：为电机频率；为硅钢片系数。.定子绕组损耗根据楞次-焦耳定律，该损耗是绕组电阻与电流的二次方的乘积。如果是具有多个绕组的电机，则应把各绕组计算出的基本铜耗相加得出：(2-4)式中：是在基准工作温度下绕组的电阻；是流过绕组中的电流。对相绕组来说，若电流一样，并且电阻也相同，则电气损耗为：(2-5)在计算电机的铜耗时，假设电流在截面上分布均匀，故上列公式中的电阻均指直流电阻⑶所二.转子导条损耗根据电机学原理，在感应电机起动过程中，导条总的损耗功率为：(2-6)式中：为电动机及负载的飞轮转矩；为重力加速度；为电机的同步转速；为电动机的电磁转矩；为电动机的负载转矩；为转子槽数；和为导条和端环的电阻；为转差率；为电阻修正系数⑼。对于本文的计算模型，不考虑转子端环的电阻，所以公式(2-6)可化简为：(2-7)高压感应电机动态模型建立与计算方法从上一节所列出的电机内基本热源公式可以发现，电机内的损耗和很多参数有关，并且在电机起动过程中部分参数是随时间瞬态变化的，所以要想准确的分析电机内的温升情况就要建立合适的动态数学模型对起动时这种暂态过程的损耗进行准确可靠的计算。本文采用在矢量变换和坐标变换理论的基础上建立起简单易行的高压感应电机动态数学模型。将三相绕组的效果用两个相互垂直、静止的两相绕组代替,并通过运算的变换，就可以进行三相电流和两相电流之间的运算。电机矢量变换和坐标变换的基本理论由高压感应电动机的运行原理可以知道，感应电机三相的定子电流会在空间产生一个旋转磁场，其角速度为。假设有两个绕组，分别为绕组和绕组且两个绕组互相垂直，并与转动磁场同步旋转，绕组的磁场方向和绕组轴线相互垂直，而绕组的轴线方向和合成转动磁场的方向平行。在绕组中通过直流电，在绕组中也通过直流电产生的磁通量为等效于三相合成的磁场。其中与合成磁场相垂直的分量与感应电动机的转矩电流等效，另一个与合成转动磁场相平行的分量等效于感应电动机中的励磁分量，通过它形成感应电机的磁场。通过调节电流的值来调节磁场的强弱，调节电流的值，便可以在不改变磁场的情况下使转矩发生变化⑻)另外，三相感应电机根据三相绕组的功能还可以等效为两个互相垂直且静止的两相，绕组。在，绕组中所通过的电流在间隔90。时，，同样会形成一个转动磁场，只有在这个转动磁场的转动方向和大小都与三相合成的转动磁场相同时，那么，绕组就可以和三相合成产生相同的效果，也就等效于，绕组。运用矢量变换的运算，，绕组与转动磁场同步转动，通过的直流电流，的效果与静止的绕组，里通过的交流电流，等效。由于三相电流，，和，有着稳定的关系，因此只要通过转换运算，就可以实现三相电流，，和两相电流和之间的换算,,分别是绕组的轴线并且在空间里保持静止的，选择轴为参考坐标轴，，为静止的两相坐标系，轴与轴重合，且三相空间各自相差120。。依据矢量变换理论和三相静止与两相静止坐标系相互之间存在的向量关系，便可以得出三相静止与两相静止坐标系之间相互转化的转化矩阵⑻‘°(2-8)可以利用坐标变换和矢量变换来求解感应电动机的方程，首先要对，，在三相静止坐标下的交流量转换到，两相静止坐标下的交流量，然后再转换成和旋转磁场同步转动的，两相坐标下的直流量电机动态基本方程的建立及求解方法因为在电机的起动时，电机的转速在逐渐的增加，所以在进行起动过程的计算时，采取同步速度恒定旋转的，坐标系是相对容易的，利用坐标和矢量变换的目的就是简化电机的状态方程。并通过电机的静态数学模拟进行分析，分别得到在不同坐标系下的电压方程和磁链方程，再利用坐标变换就能够得到在，坐标系下的电机动态方程⑻，如公式(2-9)所示。采用标幺值时贝IJ：,因为高压感应电机转子采用鼠笼型，对称并且转子绕组是短接的形式，所以在计算时可将转子电压视为零，即。所以可将状态方程进一步的整理成如式(2-10)的形式。(2-9)采用标么值将上式进行整理得出：(2-10)式中：和分别为定子的电抗和电阻；和为转子的电抗和电阻；为励磁电抗。以上方程即为，坐标系下高压感应电机的基本动态计算方程，利用该方程就可以对高压感应电机的起动性能进行计算。在状态方程中转速是变化量，下面进行说明电机起动过程中转速的运算方法。对于电机转动系运动方程的分析，在我们学习的电力拖动及电机学教材中，高压感应电机起动过程的旋转系运动方程表示如下：(2-11)式中：为电机的电磁转矩，单位为：为感应电动机的负载转矩，单位；为感应电动机的加速转矩，单位同上；为感应电机负载的转动惯量，单位；Q为电机的角速度，单位。通常情况下电机产品给出的参数中不含有负载和感应电机的惯性转矩，而是给出飞轮的转矩，单位为，它们之间的数学表达式为如zZ(2-12)将式(2-12)带入到转动系运动方程(2-11)中，可得：(2-13)在工程计算中，通常都采用标幺值系统来对计算过程进行简化，可得：(2-14)式中：为转子转速的标幺值；为感应电机的同步角速度，单位为；为同步转速，单位为。采用标幺值表示公式(2-14)时，若用和来分别表示和的标幺值，则有:(2-16)式中：为额定功率;。经过推导得到用标幺值来表示电磁转矩的计算公式为.：(2-17)式(2-10)、(2-16)、(2-17)构成高压感应电机动态状态下的基本计算方程，利用以上动态方程便可对电机的起动电流、转速、电磁转矩进行计算。在此基础上本文为了实现所要研究的内容，对数值的运算方法进行了筛选,运用四阶龙格-库塔法计算状态方程便可达到实际运行时所要满足的运算精度[37]o从上文推导出的计算公式(2-16)可以发现，要在电机负载转矩的基础上来分析电机的电磁转矩和起动电流。图2-1为本文样机在额定负载时负载转矩和转速所成的曲线关系。通过曲线拟合的方式得到负载转矩的推导公式，并发现电机负载转矩和转速之间以相似抛物线的趋势变化，将电机转速在不同时刻的计算值代到负载转矩公式中，进行起动过程计算。求出此刻负载转矩的值，从而可以进行电机起动过程中电磁转矩和起动电流的计算45。图2-1电机负载转矩和转速的曲线Fig.2-1Curvesofloadtorqueandspeedinmotor由于电机起动过程中转速不是常数，因此公式(2-10)是一个非线性微分方程组，因此对其求解前首先要进行线性化处理。当取常数时，本文建立的状态方程属于常微分状态方程。采用时间离散化的方法将原状态方程转化为常系数的微分方程来求解，这样在每一个时间步长内将视为常数。由于感应电机转速是随时间逐渐升高的，因此可以采用一阶欧拉法对(2-16)式进行数值积分的计算。由公式(2-17)计算出电磁转矩，由于公式(2-17)中定、转子的电流需要通过公式(2-10)得到，因此在积分的过程中需要与公式(2-10)联立求解。每一个步长内的负载转矩依据图2-1中的负载转矩曲线求解出来。依据计算得到的两相定子电流分量就可计算出定子起动电流：(2-18)本文是通过对时间的离散化进行计算的，可以在得出电机动态性能的同时精确计算出电机的起动时间，并使算法简单化，根据计算时间的步长和电机到达稳态时总的运算次数便能确定起动所需要的时间：利用动态模型计算高压感应电机起动时热源损耗电机的起动过程是一个电与磁耦合的过程，从上一节的分析中得到了感应电机起动时特性曲线算方法，通过计算起动特性的基本公式能够知道，电机电磁转矩和起动电流是在电机阻抗参数的基础上计算出来的，所以对电机起动特性进行分析的前提条件，是研究电机阻抗的具体变化情况。本文以YJKK500-4,2500kW紧凑型高压感应电机为分析研究对象，本样机的主要参数如下表2-1所示。表2-1样机的主要参数Table2-1Mainparametercalculationofprototype性能参数额定功率2500kW额定电压6kV功率因数>0.94效率96.6%额定转速1480r/min绝缘等级F级(155℃)电机极数4转差率0.861%定子铁耗27819W续表(2-1)定子铜耗15978W转子铜耗21916W机械损耗10688W杂散损耗12940W电磁转矩16670负载转矩16376基本尺寸铁心长度900mm定子外径900mm定子内径560mm气隙3.2mm转子内径310mm定、转子参数定子绕组丫接定子槽型开口槽转子槽型平行槽励磁阻抗261.3转子电阻0.115转子漏抗1.655鼠笼转子是紧凑型高压感应电机常用的一种转子结构，当电机从静止变为旋转时，转子导条中的电流是不均匀分布的，这是因为电机起动时会产生较强的集肤效应。电流密度从转子槽口到槽底逐渐减小，并且转子的漏抗和电阻都会随着电流频率的变化而发生改变。28本文采用文献［7］所阐述的将起动特性与动态阻抗进行耦合计算的方法。此方法考虑到电机的阻抗会受到集肤效应和饱和效应的共同影响，并且起动过程中这两者的程度会随着转速和起动电流的改变而变化，处于互相影响的关系，所以电机的阻抗和起动特性必须采用耦合计算，单一的计算都会使准确性降低49。通过利用文献中起动特性曲线与动态阻抗耦合的计算方法，得到YJKK紧凑型高压感应电机起动过程中集肤效应系数与转速的变化曲线如图2-2所示，转子电抗和电阻与转速的变化曲线如图2-3所示。图2-2,随转速变化曲线

Fig.2-2,versusspeed图2-3转子电阻、电抗随转速变化曲线Fig.2-3Rotorresistanceandreactanceversusspeed根据以上综合分析所得到的结论，利用动态模型还可以得到YJKK500-4,2500kW紧凑型高压感应电机在不同负载下起动过程中的负载转矩、电磁转矩和起动电流倍数随转速变化的起动特性曲线，如图2-4所示。通过两图的比较可知，电机带不同的负载也会对电机起动过程产生影响，即影响起动电流的变化、起动时间及转矩的变化。(a)额定负载下动态特性曲线(b)1.5倍额定负载下动态特性曲线

图24不同负载下高压感应电机的动态特性曲线

Fig.2-4Dynamiccharacteristiccurveofhigh-voltageinductionmotoratdifferentload

图2-5为样机起动过程各相电流值随时间变化的曲线，从电流到达稳定状

态的时刻就能够得出电机起动所用的时间，在图中能够观察出电机起动约5秒

时电流基本达到稳定。在低速段，定子电流的震荡幅度相对稳态运行时变化很

大，此时电机内的损耗就会大量的累积，而由于转速很低只会有少量的冷却气

体进入电机内，容易导致温升过高的危险事故发生。图2-5额定负载下起动电流随时间变化曲线Fig.2-5Curveofaphasestartingcurrentversustimeatratedload根据损耗公式(2-5)可知，在计算起动过程中定子绕组的损耗时，若忽略定子的集肤效应及温度对电阻的影响，则只有定子电流是瞬态变化的，所以要利用上文的耦合计算得出电机起动时，定子电流随时间的变化情况。如图2-6为额定负载下定子电流倍数随时间变化的曲线。图2-6额定负载下电机起动电流倍数随时间变化的曲线Fig.2-6Curveofversustimecurrentfactoratratedloadwhenmotorstarting由于通过动态模型计算得到的是参数是关于时间变化的曲线，若要将其应用到损耗计算中就要将其转化成函数的形式。本文采用Matlab曲线拟合工具箱对起动性能参数的曲线进行拟合。利用的是曲线拟合的逆运算，在已知连续曲线的基础上拟合成函数。以图2-6中曲线为例，拟合出定子电流倍数和时间的函数是.•个4阶的高斯(Gauss)函数，如下式：(2-20)式中：n表示起动定子电流的倍数公式；为时间。利用拟合出的函数并根据定子绕组损耗公式(2-5),可推导出起动时定子绕组瞬态铜耗的求解公式，如下：式中：为额定负载时定子铜耗。利用动态模型同样可以得到电机起动时电磁转矩随时间瞬态变化的曲线，如图2-7所示。和上文中的各项参数变化结合起来，同样利用拟合的方法将所需要的计算参数都转化成参数关于时间的函数，代入到上文导条损耗的计算公式(2-7)中，便可得到转子导条损耗随时间变化的函数关系。图2-7额定负载下电磁转矩随时间随转速变化曲线Fig.2-7Curveofversustimeelectromagnetictorqueatratedloadwhenmotorstarting2.4本章小结对坐标变换和矢量变换的特征及变换的方法进行分析，并以此为前提建立起两相系下的动态方程，同时研究了电机旋转系的运动方程。根据F,N坐标系描述的感应电机动态下的基本方程式。建立高压电机起动过程的动态模型，并将电机的起动特性和阻抗的变化情况进行耦合分析，计算出电机起动时各个参数的变化情况，从而推导出电机起动时各个损耗随时间的变化情况，为下面电机起动过程的仿真计算提供热源的设置依据。第3章高压感应电机起动过程散热的分析为了提高电机的可靠性，电机散热的研究已成为电机分析和设计中的一个重要课题。电机的散热是指：冷却介质在电机内流动时，将带走电机内由损耗产生的热量。电机的通风对电机的温升和效率等指标有着不可忽略的影响，但是由于电机起动过程中冷却气体流动的复杂性及求解非线性风阻网络回路的困难性，因此对现有的YJKK紧凑型高压感应电机起动过程中散热的计算还是不够全面。电机起动时风速的改变会影响到电机内通风冷却的效果，从而散热量也会变化，所以只有准确的分析电机起动时通风系统内风量分布和风速的变化,才能对瞬态温度场的仿真计算时，为边界条件的设置提供可靠的依据。电机通风结构电机的温升受通风散热结构的直接影响很大，当前电机公司所生产的方箱式电机的主要通风结构大致有两种，其中--种是混合通风结构即将轴向通风和径向通风结合在一起，而另外一种是只有径向通风的结构。选用混合通风系统的益处是通风散热的效果很好，但从整体来看温度在电机轴向存在梯度；相反,具有径向通风结构的电机其内部的温度梯度相对很小，但是制冷的效果要比混合通风差一些，综上所述两种通风结构是各有利弊的。对本文选取的样机进行建模计算，此电机是采用径向和轴向混合通风冷却的箱式紧凑型高压电机，通风结构如图3-1所示。图3-1样机内部的物理通风系统结构图Fig.3-1Physicalventilationstructureinsidethemotor首先冷却空气从定子背部的入风口处流进电机的内部，流过转子平衡环和定子的端部后进入到转子的支架内，利用转子在转动时所产生的离心力作用，冷却空气又将从转子径向风沟流进定子径向风沟内，而后气体又经过定子的端部和定子铁心的背部进入风扇，再利用风扇的离心力作用将冷却空气送到出风口，高温空气在出风口处经冷却器降温后又再一次流向入风口，依此循环。电机内流量的分布和散热计算由于受到转子转动的影响，使冷却气体在电机内部的流动情况变得比较复杂，对风量进行求解时采用带有集中参数的等效风路法，这样就可以把繁杂的气体动力学问题化简成由风阻和风压源所构成的等值风网络。用风阻网络的方法，根据紧凑型高压感应电机的具体结构来进行建模，并准确的计算出电机内各部分的通风风阻，与此同时不仅能够得到电机内的风量还可以计算出电机内各部分的风速和风量的具体分配情况。电机内风阻网络模型的建立.基本的假设为便于感应电机内部通风情况的分析，并根据本文样机内冷却系统的实际流动情况，对计算模型做出如下的假设：1）流体的不可压缩性，即比重不变；2）流体是连续的介质，即流量和压力均连续变化；3）流体的流动是属于定常流动的，流体场中的密度、流速、温度、压力等物理量是不随时间变化的。.等效风网络感应电机的冷却方式按电机内冷却空气的流动方式来分，主要分为径向、轴向和混合式三种，每种冷却形式中又含有各种不同的结构。等效风路网络会根据电机的冷却结构的不同而不同网，为了能够保证必要的计算进度，并且使计算的风阻网络尽量简单，本文做出如下简化：由于定子和转子间的气隙很小且风阻很大，可以忽略进入到气隙内部的冷却气体；由于电机的对称结构，可以认为电机的通风系统也是对称的,只对一般的风阻网络进行计算。在上面的假设和化简的基础上建立YJKK紧凑型高压感应电机内部的等效风阻网络，如图3-2所示。根据风网络理论只要能够通风的地方就与一个风阻相对应，电机内风道风阻的计算公式如下：（3-1）式中：为局部阻力的系；为流体的流量；为流体的过流面积；为流体的密度。图3-2电机内等效风阻网络图Fig.3-2Motorwindagenetwork对照电机实际通风结构，图3-2中的各个风阻的含义很容易明确。其中定子径向通风沟内的风阻又是由五个局部的风阻组成：其中包括由于定子绕组的实际结构导致风道入口处的过流面积瞬间缩小的风阻、转子导条在通风道内的等值风阻、风沟内定子齿部的沿程风阻、风沟内从齿部到粗部的过流面积忽然增大风阻、风沟内规部的沿程风阻，如下图3-3所示。图3-3定子径向通风沟风阻的构成Fig.3-3Windageofstatorradialairduct局部阻力系数会因过流面积的突然减小或增大而发生改变计算公式如下所示：(3-2)式中：，分别是过流面积突然变化前和突然变化后面积。定子齿部和筑部沿程阻力的系数计算公式如下所示：(3-3)式中：，分别是流体通道的长度及等效直径；为雷诺数。在电机径向风沟中局部阻碍的距离是很近的。依据上面叙述的理论，总风阻并不与各个局部风阻的相加之和相等。实际上，由于风道相对比较短，不能将损失全部显现出来，因此单个局部风阻相加之和应大于总风阻。假设是定子每个径向通风沟内总风阻，则是每个定子径向通风沟内各部分的局部风阻，所以对于中型高压感应电机来说有。根据同一理论可知，转子径向通风沟的风阻也是由对应的五个局部风阻组成，但是转子的通风沟是旋转的状态，因此要以静止阻力系数为基础下对转子的风阻进行旋转修正，其中主要包含两个方面：.径向旋转的局部损失系数(3-4)式中：为修正后的损失系数；为静止时的损失系数；，为角速度；为相对流速；流体的流动粘度系数；为等效水力直径由，.与转轴线平行的旋转风道局部损失(3-5)式中：为风道轴线处的圆周速率；为气流对风道的相对速度的，流体流过冷却器形成的风阻，其主要的构成是散热气体进出冷却器的排管时所形成的局部风阻。算例样机的冷却器排管如下图34所示。气体从感应电机的出风口进入到冷却器排管和气体经过冷却器冷却后流出冷却器排管的阻力系数计算公式分别为下式：(3-6)式中：、分别为管中气隙截面积和气体所有的过流面积。根据所求出来的风阻，风阻Z上与之对应的压降为：当电机的转子转动时，径向通风沟内的导条可以等效于离心式风扇的叶片,由此它们会产生径向的风压。所以，根据风机的原理，转子径向通风沟内由于导条旋转所产生的风压计算公式如下所示：(3-8)式中：、分别为转动部分径向内、外侧的圆周速度；为重力加速度。图3-4冷却器排管结构图Fig.3-4Structureofcoolerrowtubes对于箱式电机和YB系列电机来说内风扇的作用非常重要，其作用是和转子通风槽板并联或串联，以克服通风沟风阻、冷却排管风阻和风扇自身的风阻,使电机内部气体流动，把电机内部产生的热量以热量交换的形式与冷却器进行换热，或者将产生的热量直接带到外界空气中去。除方箱电机H630-2电机外，内风扇通常应用钢板焊接结构的离心式风扇。采用后倾式的风扇是很多方箱电机用来减少机械损耗和噪声常用的方法，离心式风扇的实际结构如图3-5所示。图3-5离心式用机内风扇Fig.3-5Internalfanofcentrifugalmotor离心式风扇压头的计算公式如下：(3-9)式中：为流体密度；，为风扇叶轮的内、外径处的线速度.。风阻网络的求解及结果分析电机的风阻网络属于非线性网络，在电机起动过程中会随着转速的变化而变化，并且电机内流体的流动情况也会随之改变，只有当电机进入稳定的运行状态时，冷却气体才会以稳定的状态进行循环。本章依据电路学原理，选用回路流量的方法对机电的风阻网络进行计算求解。函数风阻的实质在于管道中某一区域内单位流量通过时所的压降。引用函数风阻的定义后，在风路计算中三个基本的应用方程即：；；，将风路理论和电路理论中的变量一一对应：；；；。这样，电路分析中的回路电流法就可以应用到风路的计算中来。下面为风阻网络求解的具体步骤：.假设每个支路的函数风阻为(为支路的编号)，明确独立回路以及回路的方向；.采用回路流量的方法，列写线性方程组。其中为回路流量的向量，；函数风阻的矩阵，为与回路相关联的全部支路函数风阻相加之和，为回路与回路之间公共支路的函数风阻之和。在式中的正负号代表的是通路中流过公共风阻时的方向是否相同，相同时取正号，不相同取负号。该矩阵属于一个对称阵。.是风压升的向量，回路中全部风扇升的代数和为，正负号的确定主要看风压升的方向是否和回路方向一致，相同取正，不同则取负。对于含有个节点、条支路的风路，、均是维的向量，是一个阶的对称矩阵。.求解此方程组，得出回路流量的向量。.应用回路流量，求解支路的流量。，与支路相的回路流量代数和为，当与回路方向一致时，前要取正号，不一致则要取负号。.利用计算出的结果对风阻函数进行修正。.误差判断，给定误差精度，当两次相邻迭代计算所得的风压上升向量,时，可认为计算结果已收敛，这时的流量可视为风网络的流量解地］。根据所得到的电机各个部分的流量就可以对各处气体的流速进行计算，流体的流速为风沟内流量与风沟过流面积之比。对所选取的样机建立风阻网络模型，进行计算求解，得出电机内风量分配关系。图3-6为电机额定转速时轴向风道流量图，其中流进定子背部的流量为2.478n?/s,流进转子轴向的流量为0.9217m3/So图3-6额定转速下电机轴向流量Fig.3-6Flowofaxialatratedload图3-7分别为1/2额定转速和额定转速下电机径向风沟内的风量分配图。空气流量在1到14号径向通风沟内的分配量逐渐增多，因为在转子的轴向入口处,散热气体流量相对较大，流体轴向运动的惯性也较大，所以流入1号径向风沟的流量很少。随着流体轴向运动速度逐渐的降低，流进径向通风沟的流量也逐渐增多，计算结果与气体的运动规则相符。由于散热气体的温度从入口流到出口的过程会逐渐上升，同时在此过程中径向通风道内冷却气体的流量也逐渐增大，这样有利于电机沿轴向温度的平衡。通过对电机在不同转速下风网络的求解计算可以发现，电机起动过程中径向通风沟内的流体流量与电机转速基本呈线性关系。这是因为当电机处于低速旋转时，风扇与转子之间产生的风压相对较小，由离心作用进入通风沟内的气体流量也较少，但随着转速逐渐的升高，使得径向通风沟内气体流量也逐渐升高，因此电机内的冷却能力也加强了。(a)1/2额定转速下电机通风沟内风量匹配(b)额定转速下电机通风沟内风量匹配

图3-7不同转速时电机通风沟内风量匹配

Fig.3-7Ventilationditchandairvolumematchesatdifferentwindspeed通过结论并利用上一章的动态模型可以得到电机转速随时间变化的曲线如图3-8所示，以图中曲线为例同样利用曲线拟合得到速度与时间的函数：(3-10)式中：为电机的转速；为时间。由此便能推导出所选样机起动过程中通风沟内风量随时间变化的函数。图3-8额定负载下转速与时间曲线Fig.3-8Curveoftimeversusspeedatratedload将上面的计算结果与YJKK紧凑型高压感应电机通风系统的具体结构结合起来分析，可设置计算模型的入口为电机轴向通风口和定子背部的入风口，出口为定子背部的出风口。入口流量的确定如图3-9所示，以第9号通风沟为例，定子背部入口的流量为，轴向通风入口的流量为。图3-9入口流量解析图

Fig.3-9Analysisdiagramofinletflow3.3本章小结本章主要是采风阻网络法对起动过程的和散热进行分析和计算。又根据建立风阻网络的方法研究电机起动时的散热情况，并将计算结果和上一章理论结合起来推导出通风沟内散热流量的瞬态计算函数，同时根据样机的实际通风结构对入风口的流量进行分析，为接下来的仿真研究的边界条件设置提供依据。第4章高压感应电机起动过程流体流动与传热的仿

真分析电机的发热与散热是电机领域十分主要的课题，起动的过程中电流迅速增大而转速相对来说又较慢如果负载过大导致温升过高会烧毁绝缘层，使电机发生故障，降低了电机的可靠运行性能。尤其是YJKK紧凑型高压感应电机能量密度相对高，散热面积又较小，温升的问题更为突出。所以，该系列电机起动时的温升与散热有着非常重要的意义。将前面两章的结论与这一章有限元分析法结合起来，对电机起动时的温升以及冷却效果进行仿真分析。在此基础上，要合理的对电机加载负荷，保证电机温升不会过高，保证电机正常运行。根据上文所得出的分析结果，利用有限元的方法对起动过程进行实际的仿真分析。高压感应电机三维计算模型的建立在利用有限元法分析实际工程问题的时候，建立仿真模型是至关重耍的一步，不仅决定了计算的准确性，也影响计算过程速度的快慢。若建立整体模型由于剖分内存过大，对计算机的要求提高并且计算速度会大大降低；若进行局部的建模有时又会导致计算的准确度降低，对结果的分析产生影响。所以，要根据具体的实际情况和分析的对象来选择模型建立的方法。本文所述论文采用周期边界，首先对稳定状态下整体的电机温升情况进行仿真，得出温升比较高的区域，在此基础上对该区域进行局部建模分析，这样既节省了计算时乂能够了解电机整体的流体流动和温升情况。在对YJKK紧凑高压感应电机的热源和通风散热分析的基础上，再结合Fluent仿真软件自身所具备的功能特点，可以对电机模型进行以下简化：.由于本文研究的YJKK系列电机内部结构十分复杂，并且不具有轴对称的几何特点，故需要建立三维模型来进行计算。.YJKK系列电机具有周期称的特点。若只考虑感应电机定、转子的部分，定、转子是以转子转动时的旋转轴为同心轴的共轴圆柱，并且定、转子在结构上呈现出以周期性沿着圆周分布的特点，这样可以只考虑温升较高区域的1/12区域进行计算就可以了。.考虑到在该系列电机端部的结构，主要是转子端环和定子绕组所在的结构位置，虽然这两个发热体会产生较多的热量，但是冷空气的入口在这两个发热体的正上方，所以在电机的端部温度升高较为缓慢，为了研究的方便，不考虑端部温度的影响。此时的电机模型是十分符合周期性对称性的。.在对网格进行划分时要尽量的使网格结构化。而且网格的结构最好是选作六面体网格，这样网格数相对比较少，并且计算精度会相对较高，同时网格划分简单，计算的时间和复杂程度都明显降低本文首先对YJKK高压电机在稳定状态下的整体温升情况进行分析,表4-1为建模需要的部分尺寸，在此基础上对温升较高的部分再进行局部的建模仿真分析。电机整体温度的径向剖分云图，如图4-1所示。通过温度云图可以明显的看出在9号与10号通风沟之间定子绕组的温度相对最高，所以取图中的虚线部分(9号通风沟)作为最后的仿真及分析的对象，这样既可以节省建模的时间，并且网格剖分数与整体建模比会大大减少，节省计算的时间。表4-1计算样机的尺寸Table4-1Themainparametercalculationofprototype通风沟数量通风沟宽度(mm)入口面积(mn?)入口面积(mm?口面积(mn?)出口面积(mn?)转轴内径(mm)转子外径(mm)12856303210553.6图4-1电机径向温度分布云图Fig.4-1Radialtemperaturecontoursofmotor为了使计算的速度更快一些，根据电机结构的近似圆周对称性，在轴向上取1/12进行建模。由于建立的是局部模型有些结构需要进行折算，本文研究的YJKK型感应电机的轴上焊接有6个幅板，如图4-2所示。为保证折算后流体的截面积与固体的截面积均不发生改变，采用下的公式对幅板进行折算：(4-1)式中：为折算后截面积；为折算前各个幅板的截面积。图4-2电机轴的结构图Fig.4-2Structureoftmotorshaft根据以上的折算方式利用gambit绘图软件建立的计算区域的物理模型如图4-3所示。其中：1为定子绝缘；2为定子绕组；3为槽楔；4为气隙；5为转子导条；6为转轴；7、8为转子流域；9为转子铁心；10为定子铁心；11为定子流域；、、为入风口。图4-3计算区域的物理模型图Fig.4-3Physicalmodeloftheareaforcalculation计算模型网格的剖分在离散分析中网格的生成技术是至关重要的，网格的质量直接关系到最后求解结果的准确性及精确度。网格的类型整体被分为两大种：结构网格和非结构网格，所谓结构网格就是网格点之间除了边界点外是有序且规则的；而非结构网格则是网格的网格单元和节点之间是没有规律性的，其节点分布也完全是任意的。使用结构网格最大的好处就是能够方便的解决边界条件问题，提高计算的准确性，而且还可以结合隐式算法和多重网格法，能极大的提高计算效率,但是采用这种方法也是有缺点的，就是对于复杂的网格很难去生成，或者不可能生成。相反，非结构网格在于处理复杂问题时具有很好的适应性。但是，在相同网格数的情况下，它需要的内存却更大、计算周期则更长。所以要选择适合的网格类型进行剖分。建立了如图4-3所示的三维模型之后，根据上文可以知道结构和非结构网格各有优缺点，所以，在满足剖分条件的前提下，本文将二者的优势结合起来,采用混合网格的方法对模型进行剖分，具体如图4-4所示图44计算区域的网格剖分图Fig.4-4Meshgenerationoftheareaforcalculation根据整个模型采用周期性边界条件的特点，必须首先要将这7对侧面进行链接(link)。例如：图4-3中侧面和就同属于一对周期面，了保证两个面在划分网格时具有一样的网格分布规律，故将两个面在进行周期性设置时进行链接。将全部具有周期性的边界面链接以后就能进行网格划分，在划分网格时要尽量选用是结构化网格。这样可以减少计算网格的数量，进而节约计算时间，提高计算的准确性，而且六面体网格具有较好的收敛性。对于计算模型中其它具体结构在划分网格时，都需要采取相似的方式来处理。如上图4-4所示，全域网格共剖11.167万个结点，15.45万个网格，43.579万个面。对于热源，通风沟等重要研究的地方为了提高计算的精度保证计算结构的准确性，网格还需要进行细化来提高网格的质量如图4-4中的放大部分。仿真计算的基本假设和边界条件的设定基本假设根据YJKK紧凑型电机实际结构的对称性和导热特点，在对瞬态温度场进行计算前应作如下假设：.热密度在热源体内均匀的分布㈤咒.初始计算条件电机温度与环境温度相同并且均匀分布；.由于电机表面的辐射换热相对很少，所以不予以考虑，并且环境温度始终不变：.定子绕组的集肤效应忽略不计；.假设电机内各个部件间紧密接触，没有接触热阻。.绕组主绝缘与层间绝缘材料热性能相同i⑵。.由于电机温升时铁心的绕组是主要的热源，并且端部的建模增加整体计算的复杂程度，所以建模时不考虑端部绕组。.起动过程中转子的发热主要是由转子导条损耗引起的，铁心损耗可以忽略不计［321350；.空气流体浮力和重力的影响可忽略:向。瞬态场边界条件的设定将网格文件导入Fluent软件之后的处理过程如下：.读写网格文件在审查网格以后，采用标尺功能去选择模型的长度单位,选择建模时的长度单位毫米。.光顺网格在划分网格时，因为模型的形状不规则，而且还采用了非结构化网格来划分空间，也就是四面体划分，所以要进行光顺网格。.更改计量单位为了使用方便，将角速度更换为转每分钟，温度的单位设定为摄氏度。.形成周期性边界模型中如和的所有侧面的周期性边界(periodic)需要设置为旋转的周期性边界(rotational)。.设置接口将两个相对应的接口设定成耦合接口。而且对于其他的相关的面都设置成接口边界。.选取合适求解器选择在压力状态下的隐式方式，在计算速度方程时要将绝对值代入计算，三维计算瞬态问题，。.选择粘性模型选择双方程模型计算湍流方程，格式(swirldominatedHow)适用于有旋转的状态，壁面函数要选择标准壁面函数。.能量方程的加入因为过程涉及到传热，所以要应用能量守恒方程。.材料性质的设置这里主要分析以下儿种材料，即空气、铁、铜铝，以及绝缘材料。.边界条件设置总体可以分为固体区域、流体区域及各个边界面的边界设置：1)固体区域的设置，固体可以作为发热体向外界传热，所以要将发热的固体设置为体积热源。除此之外，因为转子铁心和导条为旋转体并且按照速度函数逆时针旋转，所以采用旋转坐标系。旋转坐标系就是通过创建一个与旋转部件一起转动的坐标系来建模，从而可以视径向上的加速度为常数。本文的计算模型中的转子铁心、导条、转子通风沟需要进行旋转坐标系的设置，在Fluent软件中旋转坐标的设置是选中研究体性质选项中的FrameMotion选项，如图4-5所示。图4-5旋转坐标系的设置界面Fig.4-5Settingsinterfaceofrotatingcoordinatesystem2)流体区域的设置，主要是要考虑电机内流体的运动状态(旋转或静止)，从整体考虑流体域中一部分会受到转子旋转的影响，靠近转子的流体以近似于转子转动的速度旋转，靠近定子部分的则近似为静止状态。3)