同步电机定子三维温度场数值模拟

路义萍， 丰帆， 王佐民， 温嘉斌， 刘兴家

(1.哈尔滨理工大学机械动力工程学院，黑龙江哈尔滨150080;2.哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150080)

0 引言

随着对环保低碳的认识不断加深，对于经济、高效的电机的需求更加强烈。在采用不同冷却介质的各种电机中，采用空气冷却的电机(以下简称空冷电机)，相对于采用氢气冷却的电机(以下简称氢冷电机)来说，外形尺寸较大、单机容量和效率较低，但空冷电机具有运行简单、维护成本低的明显优势。目前，大量应用空冷电机来满足日益增长的市场需求已经成为一种趋势，对于空冷电机的研究开发、设计生产的投入显著增加［1－2］。通过先进技术的应用，更加精确地把握空冷电机的整体设计，有效地降低了电机损耗，提高了效率和运行稳定性。在电机设计中，通风系统设计是决定能否有效带走热量、控制温度、降低通风损耗的关键点。

目前，国内针对电机定子端部温度场研究中，对端部结构进行大量的简化，与定子铁心分开单独计算［3－5］，由于定子部件内部的热传导是连续的，特别是绕组，存在绝缘以及绑扎结构的包裹，散热效果差，周围部件对其散热的影响不能忽略。因而，采用局部物理模型得到的计算结果，其准确性有待提高。本文针对一台空冷同步电机定子，建立了包括端部绕组、铁心及气隙的三维实体模型，应用计算流体动力学软件Fluent，对温度场和流场进行了耦合计算。通过计算得到了该电机定子在3 120 r/min和4 800 r/min两种工况下定子各部分的温度分布，确定了峰值温度数值及位置。在此基础上，改进结构，减少端部上层绕组间绑扎和垫块，重新进行流场与温度场耦合数值模拟。与原始结构数值模拟结果对比后可以看出，定子峰值温度显著降低。同时，分析了定子通风系统内各部件周围流场对温度的影响，为该同步电机定子安全运行提供了重要的技术支撑。

1 物理模型

本次研究的电机定子中，冷却空气主要分3路流动:一路掠过定子端部绕组，流向铁心背部;一路流经压指间的空隙，与冷却端部绕组的空气汇合后流向铁心背部;一路流向气隙，与转子槽楔出风口出来的空气混合后进入径向通风沟，冷却铁心及槽内绕组。全部三路冷却空气最终进入冷却器，见图1。

电机定子结构虽然复杂，但几何结构具有沿圆周方向周期分布、轴向对称分布特点，因此，本次研究以电机负载端轴向半个定子、圆周方向一个齿距为计算区域，见图2。电机轴线为z轴、电机中心为原点建立坐标系，即y、z轴分别对应电机的径向和轴向。10个冷却空气入口，分别为:风扇入口，入口1至入口9分别对应于转子9个槽楔出风口。冷却器入口界面为冷却空气出口，图2中最右侧面为中心对称面，其他各面均为固体壁面，透明区域为空气。

图1 定子通风系统图Fig.1 Diagram of the stator ventilation system

图2 定子计算区域Fig.2 Computational domain of stator

2 数学模型及求解条件

2.1 基本假设

1)定子内空气视为不可压缩流体;

2)忽略重力对空气流动的影响;

3)定子内流动的空气处于湍流状态;

4)仅研究定子内流体稳态流动;

5)整个转子出风量沿周向均匀分配，由转子进入定子的风量取转子总出风量的1/66，即转子一个槽风量的4/11进入一个定子槽内;

6)定子铁心硅钢片间完全压紧，铁心材料为导热各向异性材料，铁心径向及切向导热系数为42.5 W/(m·K)，轴向导热系数为0.57 W/(m·K)。

2.2 数学模型

针对稳态流动，质量守恒方程及动量守恒方程见流场研究文献［6］;对于湍流数学模型，采用标准k－ε两方程模型;能量控制方程采用通用形式的能量守恒方程［7］。

2.3 边界条件

本次研究在电机流场计算结果基础上(见文献［6］)，对定子各部分热源进行合理设定。

1)定子出风口为压力出口边界条件，压力为260 Pa;

2)定子铁心轴向中心对称面设为对称边界;

3)机壳内表面及图2中标识为固体壁面的部分设为固体壁面边界;

4)风扇入口、入口1至入口9为质量流量入口边界条件。空气密度取1.225 kg/m3，依据工程惯例，为便于分析，入口流量以体积流量表示。根据设计过程中等效风路法的计算结果，确定3 120 r/min和4 800 r/min时风扇入口进入定子的空气体积流量分别为0.039 25 m3/s和0.069 23 m3/s，计算中计及风摩损耗，入口温度分别为50℃、55℃;图2中入口1至入口9为转子槽楔出风口，体积流量及温度由该电机转子三维温度场数值模拟计算提供［8］，数值见表1。

5)依据电机设计过程中电磁计算结果确定电机各部件热源强度，具体数值见表2。

表1 入口1至入口9温度Table 1 Temperature of inlet 1 to inlet 9

表2 定子内各部件热源强度Table 2 Heat source intensity of components

3 数值模拟结果及分析

3.1 定子端部温度场分析

本文研究应用计算流体力学软件Fluent对一台电机定子内三维流场温度场进行了流固耦合数值模拟，得到了定子内空气及各部件三维温度分布，见图3、图 4。

图3 3 120 r/min时定子温度分布Fig.3 Temperature distribution of stator at 3 120 r/min

图4 4 800 r/min时定子温度分布Fig.4 Temperature distribution of stator at 4 800 r/min

由图3和图4可以看出，定子在3 120 r/min和4 800 r/min两种额定工况下时，定子端部整体空气温度较低，压圈及上、下层绕组温度较高。压圈最高温度分别为120℃和105℃左右，压圈的电磁损耗较大，因此产生的热量也较多。压圈与压指紧密接触，压圈产生的热量一部分由压指间流过的空气携带，另一部分由掠过绕组的空气携带，经铁心背部进入冷却器。合理的安排压指间距，可以有效调节该部分风速，不仅可以提高压指及边段铁心的散热效果，而且对压圈的散热也有积极影响;电机以3 120 r/min运行时，端部绕组最高温度约为143℃，见图5，超过了绝缘耐热的极限温度130℃，见图5。

为保证电机安全运行，在上述计算基础上，减少端部上层绕组间绑扎和垫块，进一步计算了定子温度场，见图6。与图5对比可以看出，端部绕组的最高温度降低约15℃，绝缘温度最高约为120℃。通过减少端部绕组间的绑扎和垫块，增强了散热效果，同时，由于冷却绕组的热空气又继续流向压圈，空气温度相对于未减少端部绕组绑扎和垫块时的温度提高了约5℃，使得压圈最高温度提高了约10℃，但端部绕组不再超温，总体而言，温度趋于平均。

图5 3 120 r/min时端部绕组温度分布Fig.5 Temperature distribution of end winding at 3 120 r/min

图6 改进结构后3 120 r/min时定子端部温度分布Fig.6 Temperature distribution of optimized stator end at 3 120 r/min

改进结构后，端部绕组对流冷却进一步增强，电机以4 800 r/min运行时，峰值温度将降低，因而不需计算温度场。

3.2 定子铁心及槽内绕组温度场分析

铁心部分以及定子槽内绕组产生的热量主要由径向通风沟内流过的空气以对流换热的方式带走。本次研究的电机采用轴向非等厚度的铁心段，径向通风沟沿轴向的宽度相等，见图7。设计这种结构是为了使整个铁心沿轴向的温度分布趋于均匀，有效利用冷却空气。计算结果表明，两种工况及两种结构的定子铁心部分温度沿轴向分布并不十分均匀。以3 120 r/min、改进结构后的定子铁心部分温度场为例，见图7，由端部起，第三和第四段铁心为最厚铁心段，与邻近铁心段相比温度高出15℃左右，与靠近中心的铁心段温度基本相同，为90至105℃。

槽内绕组温度从端部起沿轴向逐渐升高，最高温度109℃，在绝缘耐热极限温度之下。由于冷却空气进入气隙后沿轴向的温度逐渐升高，与由转子槽楔出风口出来的热空气混合，径向通风沟内风速沿轴向分布相对均匀(见文献［6］)，使得空气与绕组间的温差减小，换热作用减弱。

图7 改进结构后3 120 r/min时铁心和绕组温度分布Fig.7 Temperature distribution of optimized core and coil at 3 120 r/min

3.3 计算方法准确性分析

本文采用计算流体力学软件对电机定子进行了三维数值计算，得到了电机定子温度场。为了进一步确定该方法得到的计算结果的准确性，将某研究所针对原始结构，转速为3 120 r/min时，采用Flowmaster软件计算得到的结果与采用本文的计算结果进行对比，见表3。

表3 Fluent与Flowmaster计算的定子平均温度比较Table 3 Comparison of stator mean temperature simulated by software Fluent and Flowmaster (℃)

Flowmaster软件采用一维热网络法，计算得到定子线圈、铁心齿部、铁心轭部的平均温度。由表3可看出，铁心齿部平均温度相差0.9℃，线圈及铁心轭部平均温度相差分别为12.7℃和11.3℃，两种方法的计算结果均显示定子各部件温度未超过绝缘耐热的极限温度。但是，本文流固热流耦合数值模拟方法得到的是三维速度和温度分布，能够给出定子端部线圈峰值位置，明确指出存在超温的部位，需要对结构进行改进，为设计提供更加准确、直观的数据参考，这正是三维数值模拟计算的优势。而按照Flowmaster软件计算结果，定子平均温度不超温，可安全运行。目前，由于某些原因，无实验数据可对比，但电机已安全运行。

4 结论

本文建立了一台同步电机定子包括端部绕组等复杂结构的定子三维实体模型，应用计算流体动力学，计算定子温度场。通过减少端部绕组的绑扎和垫块，进一步计算得到改进结构的温度场并与原始结构的温度场进行对比分析，得出以下结论:原始结构中端部绕组最高温度超过了相应绝缘等级耐热的极限温度，通过适当地减少端部上层绕组的绑扎和垫块，能够有效地降低端部绕组温度，绕组不再超温;铁心段温度沿轴向分布不均，电机中心部位铁心段温度最高;通过与FLOWMASTER软件计算得到的结果对比，表明三维数值计算结果更加直观、可信，可以反映最高温度位置。

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