大型H710空冷電機(jī)定子溫升計(jì)算研究

馬 越，薛 超，李倩倩

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

0 引言

高壓大型異步電機(jī)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)趨于激烈，用戶對(duì)電機(jī)性能、可靠性、成本等方面的要求不斷提高。

溫升是電機(jī)設(shè)計(jì)及運(yùn)行中的一項(xiàng)重要指標(biāo)。電機(jī)溫升直接關(guān)系到系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，同時(shí)還影響絕緣壽命和運(yùn)行可靠性。因此，電機(jī)溫升的準(zhǔn)確計(jì)算是電機(jī)設(shè)計(jì)和研究中的關(guān)鍵問題[1]。

國(guó)內(nèi)外的許多專家學(xué)者對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)的計(jì)算進(jìn)行了研究，溫度場(chǎng)的計(jì)算日趨精確[2]。目前常用的溫度場(chǎng)計(jì)算方法有：簡(jiǎn)化公式法、等效熱路法及有限元法等。

簡(jiǎn)化公式法就是利用牛頓散熱定理來計(jì)算電機(jī)溫升。散熱系數(shù)來源于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，只能求出平均溫升，因此應(yīng)用受限。

等效熱路法又稱熱網(wǎng)格法，用來計(jì)算電機(jī)各部分的平均溫升。其計(jì)算結(jié)果的合理性和準(zhǔn)確性與熱網(wǎng)格的建立有關(guān)，需要豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

有限元法能夠得到電機(jī)的溫度場(chǎng)分布，計(jì)算精度高。但其計(jì)算復(fù)雜，對(duì)計(jì)算機(jī)的依賴程度較高。有限體積法計(jì)算精度較高，可以應(yīng)用于各種復(fù)雜的邊界形狀區(qū)域，物理概念清晰，容易編程。有限體積法成為了工程界最流行的數(shù)值計(jì)算方法。

本文采用有限體積法來求解電機(jī)內(nèi)流體流動(dòng)與傳熱同時(shí)存在的溫度場(chǎng)問題[3]。證明不同分析方案的溫升誤差在工程精度要求內(nèi)，可以采取局部定子分析方案或局部鐵心檔分析方案進(jìn)行優(yōu)化。

1 電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及流路分布

1．1 電機(jī)參數(shù)

電機(jī)額定功率2 650 kW，額定電壓10 000 V，額定轉(zhuǎn)速1 492 r/min，額定頻率50 Hz，極數(shù)4 P，定子外徑1 120 mm，內(nèi)徑718 mm。

1．2 電機(jī)風(fēng)路結(jié)構(gòu)

圖1為該電機(jī)流路示意圖，該電機(jī)風(fēng)路為對(duì)稱風(fēng)路。冷卻后的空氣由電機(jī)進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，分成三路：第一路，風(fēng)通過轉(zhuǎn)子焊筋軸或轉(zhuǎn)子孔進(jìn)入轉(zhuǎn)子內(nèi)部，經(jīng)轉(zhuǎn)子徑向風(fēng)道旋轉(zhuǎn)加壓后進(jìn)入氣隙，再進(jìn)入定子徑向風(fēng)道，通過定子鐵心背部流出，進(jìn)入冷卻器；第二路，從進(jìn)風(fēng)口直接進(jìn)入定轉(zhuǎn)子之間的氣隙，和主風(fēng)路匯合，進(jìn)入定子徑向風(fēng)道；第三路，部分空氣直接進(jìn)入端部空間，在冷卻完端部繞組后由機(jī)座壁孔流進(jìn)電機(jī)出風(fēng)口，從電機(jī)出風(fēng)口進(jìn)入冷卻器。

圖1 電機(jī)流路示意圖

2 電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算模型

2．1 基本假設(shè)

電機(jī)內(nèi)部流體看作不可壓縮流體，采用湍流模型進(jìn)行求解，電機(jī)的工作狀態(tài)為穩(wěn)態(tài)，未考慮瞬態(tài)。電機(jī)內(nèi)部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，不考慮輻射，不考慮機(jī)殼散熱[4]。

2．2 損耗分布

電機(jī)運(yùn)行時(shí)要產(chǎn)生損耗，這些損耗最終都轉(zhuǎn)化為熱能，造成了電機(jī)各部分的溫度升高。因此，損耗的準(zhǔn)確計(jì)算和分布是計(jì)算電機(jī)溫升的前提和基礎(chǔ)，關(guān)系到電機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)能否準(zhǔn)確求解。

大型H710空冷電機(jī)總損耗為102.96 kW，具體的損耗類型見表1。

表1 電機(jī)損耗分布表

2．3 材料屬性

電機(jī)運(yùn)行時(shí)，內(nèi)部空氣溫度為55 ℃。該狀態(tài)下的空氣物性參數(shù)見表2。

表2 空氣物性參數(shù)

電機(jī)內(nèi)主要固體部件的導(dǎo)熱率見表3。

表3 電機(jī)固體材料屬性表

2．4 邊界條件

由于該電機(jī)恒頻工作，取同步轉(zhuǎn)速1 500 r/min進(jìn)行仿真計(jì)算。

進(jìn)口流量2.24 kg/s，進(jìn)口溫度43.5 ℃，環(huán)境溫度24.1 ℃。

2．5 計(jì)算域范圍選擇

溫度場(chǎng)分析所需計(jì)算資源較大，計(jì)算周期較長(zhǎng)，常采用周期性的研究方法。對(duì)此，本文研究了整機(jī)、周期、局部定子、局部鐵心檔的溫升計(jì)算方案，具體方案的計(jì)算域見圖2～圖5。

圖2 整機(jī)分析模型

圖3 周期分析模型

圖4 局部定子分析模型

圖5 局部鐵心檔分析模型

3 計(jì)算結(jié)果分析

3．1 整機(jī)溫升分析結(jié)果

圖6給出了整機(jī)溫升分析計(jì)算殘差收斂曲線。圖中可以看出，計(jì)算迭代至300計(jì)算步后，殘差小于10-3，計(jì)算已趨于收斂。

圖6 電機(jī)溫升計(jì)算收斂曲線

圖7、圖8是整機(jī)分析模型的電機(jī)溫度分布圖和電機(jī)軸向截面溫度分布圖。可以看出，電機(jī)繞組直線部分溫度最高，端部溫度相對(duì)較低，這是因?yàn)槎瞬恐苯痈諝饨佑|，冷卻空氣最先冷卻繞組端部，此時(shí)空氣溫度較低。還可以看出，上層線圈溫度高于下層線圈，這是因?yàn)闅庀吨械目諝庠谶M(jìn)入徑向風(fēng)道時(shí)先冷卻定子線圈下層及其兩側(cè)，而后再冷卻線圈上層及其兩側(cè)。定子鐵心中每個(gè)鐵心檔與空氣接觸的溫度較低，每檔中心處溫度較高，這是因?yàn)殍F心檔兩側(cè)直接與冷卻空氣接觸，進(jìn)行對(duì)流換熱，而鐵心檔中心處只能向兩側(cè)進(jìn)行熱傳導(dǎo)，故每檔中心溫度較高。

圖7 電機(jī)溫度分布圖 圖8 電機(jī)軸向截面溫度分布圖

3．2 周期溫升分析結(jié)果

圖9、圖10是周期分析模型的電機(jī)溫度分布圖和電機(jī)軸向截面溫度分布圖?？梢钥闯?，主要部件的溫度趨勢(shì)相同，端部繞組溫度低于繞組直線部分，上層線圈溫度高于下層線圈，鐵心檔中心處溫度高于鐵心檔兩側(cè)，轉(zhuǎn)子溫度低于定子溫度。

圖9 電機(jī)溫度分布圖 圖10 電機(jī)軸向截面溫度分布圖

3．3 局部定子溫升分析結(jié)果

圖11、圖12是局部定子分析模型的電機(jī)溫度分布圖和電機(jī)軸向截面溫度分布圖?？梢钥闯鲋饕考臏囟融厔?shì)相同。該分析只能給出定子溫度分布。

圖11 電機(jī)溫度分布圖 圖12 電機(jī)軸向截面溫度分布圖

3．4 局部鐵心檔溫升分析結(jié)果

圖13、圖14是局部鐵心檔分析模型的電機(jī)溫度分布圖和電機(jī)軸向截面溫度分布圖。該分析只能給出定子直線部分的溫度分布。由于研究部分較短，線圈上下層溫度區(qū)別不明顯，線圈內(nèi)的溫度基本相同，不過仍可以看出鐵心檔靠近冷卻空氣的兩側(cè)溫度低于鐵心檔中部。

圖13 電機(jī)溫度分布圖 圖14 電機(jī)軸向截面溫度分布圖

3．5 各分析方案結(jié)果比較

通過仿真后處理，得到各分析方案的電機(jī)主要部件溫升見表4。

表4 電機(jī)主要部件溫升表 單位：K

可以看出，整機(jī)分析方案和周期分析方案都可以得到定子和轉(zhuǎn)子的溫度分布，局部定子和局部鐵心檔分析方案只能得到定子的溫度分布。

周期分析方案中定子溫升結(jié)果高于整機(jī)分析結(jié)果，其定子線圈平均溫升高于整機(jī)分析結(jié)果3.4 K，相對(duì)誤差為5.4%；定子線圈最高溫升高于整機(jī)分析結(jié)果3.2 K，相對(duì)誤差為3.7%。轉(zhuǎn)子溫升結(jié)果和整機(jī)分析方案結(jié)果基本一致。

局部定子分析方案中定子溫升結(jié)果低于整機(jī)分析結(jié)果，其定子線圈平均溫升低于整機(jī)分析結(jié)果0.3 K，相對(duì)誤差為0.5%；其定子線圈最高溫升低于整機(jī)分析結(jié)果3.4 K，相對(duì)誤差為3.9%。

局部鐵心檔分析方案中定子溫升結(jié)果與整機(jī)分析結(jié)果相比有高有低，其定子鐵心平均溫升略低于整機(jī)分析結(jié)果1.1 K，相對(duì)誤差為1.6%；定子線圈最高溫升高于整機(jī)分析結(jié)果1.5 K，相對(duì)誤差為1.7%；其定子線圈平均溫升高于整機(jī)分析24.5 K，相對(duì)誤差為38.8%，誤差較大。經(jīng)分析，此方案的定子線圈平均溫升和最高溫升基本相同，平均溫升誤差較大的原因?yàn)榫植胯F心檔分析方案的線圈較短，且沒有端部，無法代表整個(gè)線圈的平均溫度。

4 結(jié)論

本文對(duì)大型H710空冷電機(jī)進(jìn)行了CFD溫升分析，使用不同的分析方案進(jìn)行了對(duì)比，得到以下結(jié)論。

(1) 大型H710電機(jī)整機(jī)分析方案的定子線圈平均溫升63.2 K，最高溫升86.5 K，滿足溫升考核標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 不同分析方案的溫升誤差在工程精度要求內(nèi)，局部鐵心檔分析方案的定子平均溫升不能代表整個(gè)線圈溫度，誤差較大。

(3) 整機(jī)模型復(fù)雜，所需計(jì)算資源較大，可以采取局部定子分析方案或局部鐵心檔分析方案進(jìn)行優(yōu)化。