1、CFD設(shè)置對(duì)凸極同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)影響綱要：電機(jī)絕緣資料溫升直接影響其運(yùn)轉(zhuǎn)的安全性和壽命.鑒于一種較大容量的空冷凸極同步電動(dòng)機(jī)，采納計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）方法，成立了三維湍流流場(chǎng)及轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)計(jì)算模型，對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極上銅與絕緣構(gòu)成的繞組主體的間隔層疊構(gòu)造進(jìn)行簡(jiǎn)化，研究了轉(zhuǎn)子磁極上銅繞組主體的間隔層疊構(gòu)造等效熱導(dǎo)率的計(jì)算方法以及端部肋片間周期性界限對(duì)凸極同步電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)結(jié)果的影響，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，考證了數(shù)值模擬結(jié)果的正確性.結(jié)果表示：凸極電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁極的等效熱導(dǎo)率算法及端部肋片間界限設(shè)置直接影響溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果正確性.重點(diǎn)詞：等效熱導(dǎo)率；周期性界限條件；數(shù)值模擬；轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)；凸極同步電動(dòng)機(jī)D

2、OI：中圖分類號(hào)：TK121文件標(biāo)記碼：A文章編號(hào)：1007-2683（2015）03-0091-06O引言凸極同步電動(dòng)機(jī)在礦山、石油、化工等對(duì)靠譜性要求較高的領(lǐng)域獲取了寬泛應(yīng)用，在電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和調(diào)速問(wèn)題研究方面：文采納有限元法，對(duì)凸極同步電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)二維電磁場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算，獲取了阻尼條中電流值及起動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)間變化的電機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)散布；文采納有限元法，剖析了實(shí)心凸極同步電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)過(guò)程.在電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)與傳熱問(wèn)題研究方面：文采納等效風(fēng)路法對(duì)大功率凸極發(fā)電機(jī)進(jìn)行了傳熱優(yōu)化，找到了冷卻成效較好的流動(dòng)構(gòu)造；大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子與凸極同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子構(gòu)造相像，文采納CFD方法對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)

3、子半個(gè)軸向段的流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬剖析了擋風(fēng)構(gòu)造對(duì)渦流的減弱作用及對(duì)勵(lì)磁繞組冷卻成效的影響；文采納CFD技術(shù)對(duì)三峽水輪發(fā)電機(jī)空氣流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，充分展現(xiàn)了空氣在電機(jī)內(nèi)的實(shí)質(zhì)流動(dòng)狀況；文聯(lián)合等效風(fēng)路法和有限元計(jì)算方法針對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子三維溫度場(chǎng)及通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行了綜共計(jì)算研究及構(gòu)造優(yōu)化；文采納CFD技術(shù)研究了凸極同步電動(dòng)機(jī)的流場(chǎng)及溫度場(chǎng)，剖析了電機(jī)內(nèi)冷卻空氣的流量散布比率及溫度散布特色，指出了峰值溫度地點(diǎn)；文對(duì)電機(jī)氣隙的對(duì)流傳熱研究進(jìn)行了綜述，說(shuō)了然電機(jī)中熱剖析的重要性，指出關(guān)于有限元法與等效風(fēng)路法而言，模型表面上的對(duì)流傳熱系數(shù)是特別重要的；文對(duì)電機(jī)內(nèi)的對(duì)流傳熱和流動(dòng)阻力公

4、式進(jìn)行了綜述，為流動(dòng)與傳熱公式的選用及參數(shù)設(shè)定供給了指導(dǎo).在CFD數(shù)值模擬的正確性問(wèn)題研究方面：文采納CFD對(duì)大型水輪發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)及轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得出CFD能較正確地模擬發(fā)電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)的流場(chǎng)；文分別針對(duì)溝通發(fā)電機(jī)和同步發(fā)電機(jī)成立了CFD模型，模擬了二者內(nèi)部的流體流動(dòng)狀態(tài)和熱傳達(dá)效率，結(jié)果都與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)符合，證了然數(shù)值模擬的可行性和正確性；文研究了湍流模型變化對(duì)汽輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)的影響；文應(yīng)用CFD軟件對(duì)空冷發(fā)電機(jī)定子溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，并經(jīng)過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照考證了計(jì)算結(jié)果的正確性；文測(cè)量了電機(jī)端部繞組熱傳達(dá)數(shù)值，獲取對(duì)流換熱系數(shù)，并與CFD軟件湍流模型下數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了剖析比較，證了

5、然CFD軟件的正確性.綜上可知，鑒于有限體積法的凸極同步電動(dòng)機(jī)CFD流固耦合模擬中CFD的有關(guān)設(shè)置研究國(guó)內(nèi)外還相對(duì)較少，且在上述文件中，關(guān)于凸極電動(dòng)機(jī)的典型構(gòu)造，即轉(zhuǎn)子磁極上銅與絕緣構(gòu)成的繞組主體的間隔層疊構(gòu)造簡(jiǎn)化后的等效熱導(dǎo)率的計(jì)算和端部肋片間周期性界限設(shè)置也不盡同樣，急需進(jìn)一步剖析研究.本文以一種較大容量的空冷凸極同步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，鑒于有限體積法，對(duì)轉(zhuǎn)子三維流動(dòng)與傳熱耦合問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算，剖析了轉(zhuǎn)子磁極上銅繞組主體的間隔層疊構(gòu)造的等效熱導(dǎo)率、端部肋片間周期性界限對(duì)凸極同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果的影響，為成立凸極同步電動(dòng)機(jī)正確的CFD數(shù)值模擬方法供給了參照.物理模型本文以一種較大容量

6、的空冷凸極同步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，該電機(jī)內(nèi)冷卻介質(zhì)為空氣，空氣經(jīng)軸流電扇加壓后由兩頭沿軸向?qū)ΨQ流人電機(jī)開(kāi)始循環(huán)，電機(jī)內(nèi)部空氣沿三條路徑進(jìn)行冷卻.通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示.本文成立包含轉(zhuǎn)子主軸、磁極、繞組、絕緣、磁極散熱肋片、撐塊、極靴、氣隙等的完好轉(zhuǎn)子模型以及定子部分的通風(fēng)冷卻構(gòu)造.因?yàn)殡姍C(jī)軸向左右構(gòu)造對(duì)稱，而且采納軸向?qū)ΨQ通風(fēng)方式，冷卻空氣沿圓周方向以90為流體運(yùn)動(dòng)周期，所以取電機(jī)軸向1/2，周向1/4的構(gòu)造為物理模型，如圖1.為了清楚表示出轉(zhuǎn)子的部署及構(gòu)造特色，給出轉(zhuǎn)子零件局部放大圖，如圖2.物理模型的坐標(biāo)原點(diǎn)位于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸中心對(duì)稱面的幾何中心處，合理的物理模型是數(shù)值模擬正確的前提保障，在流場(chǎng)計(jì)算時(shí)

7、，為了防止未知界限條件的假定，除去人為偏差，物理模型在轉(zhuǎn)子零件及風(fēng)道構(gòu)造基礎(chǔ)上增添了定子通風(fēng)構(gòu)造，即采納完好的通風(fēng)系統(tǒng)，進(jìn)而保證電機(jī)內(nèi)冷卻介質(zhì)依據(jù)實(shí)質(zhì)風(fēng)路的風(fēng)阻大小自動(dòng)分派空氣流量，使流場(chǎng)計(jì)算不失真，在電動(dòng)機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)中，對(duì)各部分流量分派及流速、壓力大小起決定性作用的是流動(dòng)阻力（包含局部阻力和沿程阻力），電動(dòng)機(jī)尺寸確立后沿程阻力基本不變，流通面積越小處，局部阻力越大，電動(dòng)機(jī)定子機(jī)座環(huán)板通風(fēng)孑L直徑較小，數(shù)目較少，其局部阻力遠(yuǎn)大于定子端部繞組的局部空氣流阻，所以在物理模型中，忽視了定子端部繞組構(gòu)造，該簡(jiǎn)化其實(shí)不會(huì)改變電機(jī)內(nèi)部整體的空氣流動(dòng)特征.物理建模過(guò)程中充分考慮了建典范圍能否能完好表現(xiàn)實(shí)質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)

8、工況，界限面的選取及界限條件的設(shè)置以及局部構(gòu)造簡(jiǎn)化能否合理等問(wèn)題，均是CFD數(shù)值模擬計(jì)算需要考慮的重點(diǎn)問(wèn)題.2數(shù)學(xué)模型及求解條件2.1基本假定1）電動(dòng)機(jī)內(nèi)流體的流動(dòng)，遇到的重力作用遠(yuǎn)小于離心力、科氏力等作用，所以，忽視重力對(duì)空氣流動(dòng)的影響.2）電動(dòng)機(jī)內(nèi)空氣流速遠(yuǎn)小于聲速，即馬赫數(shù)小于l，可以為流體不行壓縮，不考慮密度變化.3）依據(jù)廠商供給的配套電扇風(fēng)壓，經(jīng)計(jì)算，空氣在電動(dòng)機(jī)內(nèi)循環(huán)過(guò)程中，Re8000，處于湍流、流動(dòng)恒定的狀態(tài)，本文僅研究穩(wěn)態(tài).2.2數(shù)學(xué)模型電動(dòng)機(jī)內(nèi)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下湍流流場(chǎng)計(jì)算時(shí)采納穩(wěn)態(tài)流動(dòng)控制方程組，包含質(zhì)量及動(dòng)量守恒方程式，絕對(duì)速度矢量M與相對(duì)速度矢量的關(guān)系式，見(jiàn)文.固定直角坐標(biāo)

9、系下，描繪湍流問(wèn)題的控制方程組也包含質(zhì)量、動(dòng)量守恒方程；描繪湍流流動(dòng)的湍流時(shí)均方程采納標(biāo)準(zhǔn)雙方程模型，見(jiàn)文.欲求得轉(zhuǎn)子地區(qū)固體零件和冷卻流體的溫度散布，須先計(jì)算固定與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的空氣速度場(chǎng)，在冷態(tài)流場(chǎng)計(jì)算基礎(chǔ)上增添能量方程.2.3計(jì)算條件電動(dòng)機(jī)冷卻介質(zhì)為空氣，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為1500r/min的額定工況下，考慮風(fēng)摩消耗等，設(shè)定人口空氣溫度為50C；流場(chǎng)計(jì)算人出口界限條件采納鑒于一維Flowmaster軟件計(jì)算獲取的電扇后進(jìn)口（空氣表壓為213lPa）與定子出口（即冷卻器人口空氣表壓力245Pa）壓力作為界限條件；額定電流下，經(jīng)電磁場(chǎng)計(jì)算獲取的整機(jī)轉(zhuǎn)子銅耗、極靴表面雜散消耗分別為76.9kW、27

10、.63kW.經(jīng)換算，銅繞組、肋片、極靴表面熱源值分別為，1364698.32W/m3.軸向中心對(duì)稱面設(shè)置為對(duì)稱界限條件，圓周方向0和90界限設(shè)置為周期性界限條件；計(jì)算時(shí)轉(zhuǎn)子地區(qū)所有流體與固體壁面交界處均為耦合對(duì)流界限，對(duì)流換熱系數(shù)不需設(shè)定，由換熱微分方程求得，其余外界限面均為固體壁面種類，所有界限條件表達(dá)式，見(jiàn)文.計(jì)算過(guò)程中，以為電動(dòng)機(jī)內(nèi)資料物性參數(shù)均為常數(shù)，模型中波及的散熱匝肋片（銅）、撐塊（鋁）、絕緣、軸（鍛鋼）的熱導(dǎo)率分別為387.6、202.4、0.22、31.8，單位均為W/（m.K）.物理模型成立達(dá)成后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格區(qū)分，經(jīng)多次改正，獲取的整體網(wǎng)格質(zhì)量較好.計(jì)算時(shí)方程失散采納二階迎

11、風(fēng)格式，壓力速度耦合采納SIMPLE算法，采納標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法辦理近壁面地區(qū)，近壁面第一個(gè)網(wǎng)格高度y+知足所用函數(shù)要求.經(jīng)多次改正網(wǎng)格種類和逐漸加密網(wǎng)格并試算，獲取整機(jī)1/8三維冷態(tài)流場(chǎng)及轉(zhuǎn)子湍流流動(dòng)與傳熱耦共計(jì)算的網(wǎng)格獨(dú)立收斂解.數(shù)值模擬結(jié)果及剖析3.1等效熱導(dǎo)率算法對(duì)溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的影響因?yàn)檗D(zhuǎn)子磁極上繞組疊片中的銅層與絕緣層厚度相差很大，單個(gè)磁極銅和絕緣層體數(shù)目達(dá)到145層之多，給建模及網(wǎng)格區(qū)分帶來(lái)很大困難，所以本文探究將銅繞組主體的間隔層疊構(gòu)造簡(jiǎn)化為一個(gè)體，此時(shí)，其穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)導(dǎo)熱物性參數(shù)即等效熱導(dǎo)率的算法成為影響溫度場(chǎng)的重要要素，本文進(jìn)行了3種等效熱導(dǎo)率算法比較研究.算法1：以為簡(jiǎn)化后的體

12、各向同性，熱導(dǎo)率按徑向厚度比采納加權(quán)均勻法計(jì)算，即：，算得A等效數(shù)值為350.14W/m.K）；算法2：關(guān)于簡(jiǎn)化后的體，考慮垂直磁極方向銅與絕緣資料為疊片形式相間部署，實(shí)質(zhì)運(yùn)轉(zhuǎn)中該方向溫差較大，源于熱導(dǎo)率降低明顯，與其余雙方向（直角坐標(biāo)系）差別較大，采納厚度調(diào)解均勻法計(jì)算，由，其余兩軸方向按數(shù)值較大的資料銅設(shè)置，算法3：聯(lián)合算法1、2，垂直磁極方向熱導(dǎo)率數(shù)值采納鑒于厚度的調(diào)解均勻算法，數(shù)值為2.64W/（m.K），考慮其他雙方向絕緣層與銅層為平行導(dǎo)熱關(guān)系，假如所有依據(jù)熱導(dǎo)率數(shù)值大的資料銅設(shè)置計(jì)算，絕緣層的熱導(dǎo)率數(shù)值被人為放大的倍數(shù)較大，因?yàn)榻^緣層在磁極體積中占比較小，其余兩軸方向熱導(dǎo)率數(shù)值（3

13、50.14W/（m.K按加權(quán)均勻算法計(jì)算，達(dá)到修正的目的.計(jì)算結(jié)果表示三種算法對(duì)進(jìn)入電機(jī)的空氣體積流量的影響基本可忽視，對(duì)溫度場(chǎng)影響不可以忽視，表1給出了磁極簡(jiǎn)化體等效熱導(dǎo)率三種方法的表示溫度場(chǎng)特色的物理量計(jì)算統(tǒng)計(jì)結(jié)果.由表1可知，采納各向同性的加權(quán)均勻法的算法計(jì)算結(jié)果偏低，原由是垂直磁極方向上銅和絕緣資料熱導(dǎo)率相差懸殊，387.60.22，依據(jù)這類計(jì)算方法算出的熱導(dǎo)率是由熱導(dǎo)率大的物體所決定，明顯不切合傳熱學(xué)基來(lái)源理，鑒于調(diào)解均勻法的算法2與算法3中的等效熱導(dǎo)率是由導(dǎo)熱熱阻大的物體決定的，切合導(dǎo)熱熱阻串連疊加的傳熱規(guī)律，獲取的峰值溫度數(shù)值與實(shí)質(zhì)丈量均勻溫度的結(jié)果符合，且數(shù)值相差較小，原由是非

14、垂直磁極方向熱導(dǎo)率數(shù)值變化不大，這與理論剖析的結(jié)果一致.圖3給出了等效熱導(dǎo)率算法分別采納算法1和算法3時(shí)，銅繞組的溫度散布云圖，由圖可知：采納算法3計(jì)算的溫度散布趨向是沿流動(dòng)方向（軸向）溫度漸漸高升，最高溫度位置在中心對(duì)稱面處的背風(fēng)側(cè)繞組中，銅繞組溫度數(shù)值最高為129.9，較采納算法1計(jì)算時(shí)的最高溫度高升7.0.繞組軸向最大溫差為61.9，較采納算法l計(jì)算時(shí)的最大溫差提升了6.9；垂直磁極方向溫度梯度大，最大溫差為28.9，較算法l計(jì)算時(shí)的最大溫差提升了23.9.說(shuō)明等效熱導(dǎo)率采用算法3即正交各向異性的調(diào)解均勻法（垂直磁極方向）和加權(quán)均勻法（非垂直磁極方向）計(jì)算后，繞組溫度高升，與實(shí)質(zhì)狀況相切

15、合.3.2端部肋片間周期性界限對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響考慮凸極電機(jī)獨(dú)有的端部散熱片構(gòu)造，在設(shè)置界限時(shí)容易將散熱片間的空氣界限面忽視設(shè)置，此時(shí)系統(tǒng)默以為絕熱壁面，本文將該種狀況同正確設(shè)置為周期性界限狀況進(jìn)行了比較，以便同類研究參照.在磁極混淆體等效熱導(dǎo)率依據(jù)算法設(shè)置和其余流體周向界限都設(shè)置為周期性界限的基礎(chǔ)上，對(duì)圓周方向0和90界限面端部散熱肋片間空氣界限設(shè)為默認(rèn)壁面，與設(shè)為周期性界限條件的狀況進(jìn)行對(duì)照計(jì)算，圖為轉(zhuǎn)子端部肋片90界限面的表示圖，周期性界限的設(shè)置正確與否直接影響轉(zhuǎn)子重要零件的溫升計(jì)算.如圖5所示為兩種界限條件下轉(zhuǎn)子繞組和肋片的溫度散布云圖，圖中標(biāo)出的數(shù)據(jù)為各零件最高溫度值.由圖可知，端部肋

16、片0與90地點(diǎn)處周期性界限設(shè)置下算得的繞組峰值溫度要高于默認(rèn)界限設(shè)置下的峰值溫度.原由是兩種設(shè)置對(duì)端部及磁極間流速散布影響明顯，當(dāng)采納默認(rèn)設(shè)置時(shí)，磁極間空氣流速大，繞組溫度低；當(dāng)采納周期性設(shè)置時(shí)，端部0與90地點(diǎn)處均勻流速降低，見(jiàn)圖6，致使兩極繞組、肋片的溫升差距增大，與實(shí)質(zhì)狀況符合.計(jì)算結(jié)果更安全靠譜，保證電機(jī)的連續(xù)穩(wěn)固運(yùn)轉(zhuǎn).3.3結(jié)果正確性剖析轉(zhuǎn)子磁極上銅繞組主體的間隔層疊構(gòu)造的等效熱導(dǎo)率采納正交各向異性的調(diào)解均勻法（垂直磁極方向）和加權(quán)均勻法（非垂直磁極方向）計(jì)算，端部肋片間空氣周向界限面設(shè)置為周期性界限時(shí)，電動(dòng)機(jī)冷卻空氣流量為26.4m3/s，與哈電機(jī)研究所計(jì)算獲取的流量基真同樣，其采納Flowmaster軟件計(jì)算，結(jié)果為25.8m3/s，二者相差2.4%.經(jīng)過(guò)計(jì)算得：磁極等效熱導(dǎo)率采納算法3各向異性假定時(shí)，繞組的體積均勻溫度為385.2-273.15=112.05，繞組溫升為72.05，該計(jì)算數(shù)據(jù)與出廠前的轉(zhuǎn)子磁極繞組熱阻法溫升實(shí)驗(yàn)丈量數(shù)據(jù)78對(duì)比較，低5.95，偏差在7.6%以內(nèi).說(shuō)明轉(zhuǎn)子磁極上銅繞組主體的間隔層疊構(gòu)造的等效熱導(dǎo)率采納正交各向異性的調(diào)解均勻法（垂直磁極方向）和加權(quán)均勻法（非垂直磁極方向）計(jì)算、端部肋片間空氣周向界限面設(shè)置為周期性界限時(shí)，計(jì)算結(jié)果偏差更小.4結(jié)論以國(guó)內(nèi)一種較大容量的空冷凸極同步電動(dòng)機(jī)為例，將銅繞組主體的間隔層疊構(gòu)