試論YKK系列中型高壓電機流體場與溫度場的計算

賈榮生

摘要：從上個世紀(jì)九十年代開始我國出現(xiàn)了第一批YKK系列中型高壓電機，因其具有較高的效率與性能，需要消耗的能源相對較少，并且產(chǎn)生的噪音與振動也相對較少，能夠較好地完成通風(fēng)機、水泵等眾多機械的驅(qū)動工作，因此受到了機械工業(yè)以及相關(guān)領(lǐng)域的廣泛歡迎和使用。但由于電機本身具有十分復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，因此長期以來其始終無法有效解決運行升溫過高的問題。而本文將嘗試通過計算YKK系列中型高壓電機流體場與溫度場，希望能夠為解決這一問題提供相應(yīng)參考數(shù)值。

關(guān)鍵詞：YKK系列；中型高壓電機；流體場；溫度場；計算

在科學(xué)技術(shù)水平飛速提升之下，用于數(shù)值計算方面的相關(guān)軟件越來越多，在有效提升數(shù)值計算效率的同時也使得計算結(jié)果變得更加精準(zhǔn)、真實，因此本文將通過使用CFD軟件，完成計算YKK系列中型高壓電機中的流體場與溫度場的工作，并利用實驗驗證的方式對計算結(jié)果的真實性與有效性進(jìn)行科學(xué)驗證。

一、建立三維計算模型

本文隨機算則一臺500kW且處于額定狀態(tài)下的YKK系列中型高壓電機作為樣機，建立起內(nèi)風(fēng)路流體場模型。在此過程中，筆者將選擇使用Gambit軟件，通過機座外壁與內(nèi)部全部實體相減的方式完成電機內(nèi)風(fēng)路流體域模型的建立。鑒于之后需要耦合計算電機的流體場和溫度場，因此在Gambit軟件當(dāng)中筆者將在交界面設(shè)置欄當(dāng)中自動勾選流固耦合面，并將Fluent導(dǎo)入其中使得流固耦合面可以被分為Wall以及Wall Shadow這兩個面并通過對其進(jìn)行進(jìn)一步處理，使之可以成為Coupled邊界條件。當(dāng)電機保持穩(wěn)定運行的情況下，內(nèi)部轉(zhuǎn)子、軸等會處于旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此在進(jìn)行三維計算模型建立時還需要選用z軸作為其旋轉(zhuǎn)軸。通過此種方式建立而成的流體域模型，會在Gambit中分別用Soild和Fluid表示中型高壓電機的固體和流體部分，但鑒于電機內(nèi)部無法進(jìn)行對稱流動，因此需要通過整體建模的方式用以完整展現(xiàn)出電機內(nèi)部流體的實際流動情況。為方便接下來的耦合計算，本文將對建立起的三維計算模型進(jìn)行進(jìn)一步簡化，將求解電機溫度場的模型直接設(shè)置為通風(fēng)溝及其兩側(cè)鐵心段，因此沿著旋轉(zhuǎn)軸的方向，本文所構(gòu)建的模型有著9cm的厚度，機座的橫截面為標(biāo)準(zhǔn)的矩形形狀[1]。

二、劃分流體模型的網(wǎng)格

在劃分出電價當(dāng)中需要計算的區(qū)域之后，需要進(jìn)行離散處理，而在此之前則需要對流體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，也就是將原本連續(xù)的計算區(qū)域劃分成為若干子區(qū)域，從而使得離散之后，在每一個網(wǎng)格節(jié)點當(dāng)中都能夠有效存儲離散之后的網(wǎng)格節(jié)點。但筆者發(fā)現(xiàn)，在實際計算電機流體場和溫度場的過程中，常常會在比較復(fù)雜的區(qū)域當(dāng)中出現(xiàn)電機的流動問題以及傳熱問題，這也意味著需要劃分的計算區(qū)域往往是不規(guī)則的。因此通過結(jié)合現(xiàn)有的相關(guān)研究資料，筆者選擇使用非結(jié)構(gòu)化的方式完成流體模型的網(wǎng)格劃分。首先需要進(jìn)行交界面設(shè)置，即設(shè)置Interface面作為計算區(qū)域的交界面，用于負(fù)責(zé)整合各個面當(dāng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)，之后通過先表面后整體的順序劃分氣隙，用以完成對模型網(wǎng)格的劃分。但值得注意的是，在劃分過程中需要結(jié)合實際情況適當(dāng)對部分網(wǎng)格進(jìn)行加密處理[2]。

三、樣機流體場與溫度差的耦合計算

（一）耦合計算

本文選擇的計算區(qū)域為電機的徑向通風(fēng)溝以及氣隙區(qū)域，具體來說就是所選樣機當(dāng)中的第三個通風(fēng)溝及其相鄰的鐵心段，通過采用上述方法進(jìn)行模型建立和網(wǎng)格劃分之后，使用CFD軟件能夠?qū)﹄姍C中各個部件包括定子鐵心與繞組、定子絕緣和槽楔以及轉(zhuǎn)子導(dǎo)條的平均溫度以及最高和最低溫度進(jìn)行準(zhǔn)確測量，在測量過程中我們可以得知在定子繞組位置處出現(xiàn)了381K的電機最高溫度，而由于轉(zhuǎn)子溫度本身并無較大的分布差異，因此其有著相對更加的通風(fēng)散熱效果。

在計算定子溫度的過程當(dāng)中，鑒于定子鐵心是由若干硅鋼片疊加而成，并且溫度分布存在較大差異，因此定子齒部的上下溫度也存在一定差異，其下部溫度要略高于上部，而在不斷增加的徑向高度影響下，溫度開始呈現(xiàn)出小幅小將的趨勢，這主要是由于其與繞組位置相距甚遠(yuǎn)。經(jīng)CFD軟件計算可得定子下層的繞組溫度可達(dá)381K左右，但上層繞組卻擁有更加理想的溫升以及冷卻效果，因此我們也可以推斷出此時流體未能保持對稱的流動、兩側(cè)壁面存在明顯溫差。

在隨后的徑向和定子通風(fēng)溝的流體場溫度以及溫度場溫度計算當(dāng)中，我們同樣可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)由轉(zhuǎn)子幅板的冷卻氣體會在不斷向定子背部流動的過程中出現(xiàn)逐漸升溫的情況，經(jīng)計算我們可以得知此時的溫度大約在343K左右，雖然看似溫升并不高，但實際上由于繞組有著較大的發(fā)熱量，因此使得其附近溫度得到迅速升高。而由氣隙流向定子徑向通風(fēng)溝的流體，會在同固體表面進(jìn)行接觸之后，產(chǎn)生比較搶了的對流換熱系數(shù)變化，并且根據(jù)徑向高度的不斷變化，流體的流通截面也會隨之出現(xiàn)相應(yīng)的增加和縮小變化。

（二）仿真驗證

為進(jìn)一步驗證CFD軟件對本文選取樣機流體場和溫度場計算結(jié)果的真實性，筆者將通過結(jié)合相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，測試在額定負(fù)載運行條件下的電機溫度，并通過計算出平均繞組溫度將其與理論上計算出的結(jié)果進(jìn)行對比分析，如果兩者之間并無較大誤差，則代表理論計算值具有較好的真實性，而本文構(gòu)建起的計算模型也具有較好的有效性。而通過相關(guān)仿真實驗，筆者發(fā)現(xiàn)理論計算值還是和實際檢測得到的數(shù)值之間存在一定差異，但由于本文在計算電機流體場和溫度場時為了方便計算，并沒有對通風(fēng)和機械損耗進(jìn)行考量，因此誤差值并不大，計算結(jié)果具有一定的真實性和有效性。

四、結(jié)語

總而言之，本文通過選擇一臺基于額定狀態(tài)下的YKK系列中型高壓電機，并為有效簡化計算過程、提升計算效率與結(jié)果的精準(zhǔn)度，在建立相關(guān)三維計算模型之后，選擇使用專業(yè)的CFD軟件完成電機流體場與溫度場的計算。同時通過仿真實驗對計算結(jié)果進(jìn)行分析驗證，了解到理論上的計算值與實際檢測值之間并無較大的誤差，因此進(jìn)一步證明了本文設(shè)計的計算模型具有較高的精確性。

參考文獻(xiàn)：

[1]侯健.YKK系列中型高壓電機流體場與溫度場的計算分析[D].哈爾濱理工大學(xué)，2015.

[2]鄭軍.YKK中型高壓異步電機流體場與溫度場綜合計算[D].哈爾濱理工大學(xué)，2016.