船舶驱动用异步电机三维温度场研究

丁树业++关天宇++崔广慧

摘要：为研究船舶驱动用异步电机传热性能及温升特性，以一台Y2-250M-4型、55 kW异步电机为例，采用有限体积元法对其三维稳态温度场求解计算，分析了电机额定负载运行时主要部位的温升特性，同时，根据其船舶驱动的用途特点，实际运行时负载多呈变侈，因此对电机不同负载工况的温升进行求解并对比分析，通过搭建实验平台，将实验数据与计算结果相对比验证.结果表明：无论何种工况，电机的最高温升均出现在转子导条处；随着负载的增大，电机各主要部位的最高温升呈增加趋势，并且其增幅逐渐趋于显著.该研究为电机设计及性能优化、故障预测提供一定参考.

关键词：异步电机；三维温度场；温升；不同负载工况

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.001

中图分类号：TM343

文献标志码：A

文章编号：1007-2683（2015）05-0001-07

0 引 言

异步电机以其成本低、结构简单可靠及维护费用少等优点广泛应用于生产生活中，但其实际运行过程中产生的损耗不仅造成电能损失，还导致电机发热，进而影响电机运行的稳定性和使用寿命.因此，对温升的研究显得尤为重要，考虑到船舶驱动用电机的工作环境及要求的特殊性，其实际运行时不仅长期工作在额定负载工况，还需应对轻载、重载以及间歇性启停等情况，因此单一负载工况的温度场分析已满足不了要求，对多工况负载条件的研究与特性分析具有一定的理论与实际工程价值，

目前，国内外学者已采用有限元法（FEM），有限体积元法（FVEM）对电机二维温度场与三维温度场及一些关键因素对温度场的影响进行了研究，对电机流热耦合计算与大型电机相关结构部位如磁极、定子、转子及绕组的温度场，气隙及通风道的流体场进行了数值分析研究.综上所述，当前的电机温度场研究主要集中在大型电机方面，中小型异步电机的流体场与温度场耦合计算，特别是考虑不同负载工况下电机温升分布特性的研究较少报道.

本文以一台55kW船舶驱动用异步电机为例，采用有限体积元法对基于流一热协同机理建立的模型进行数值计算，通过对电机三维温度场的研究，重点分析了额定负载运行时电机主要部位的温升分布特性，考虑到电机作为船舶驱动的用途，选取空载、半载、额定负载及1.1倍额定负载4种工况下的电机温升分布进行对比分析，最后通过搭建实验测试平台，将计算结果与实验数据相对比分析，验证了计算结果及求解方法的正确性.

1 电机参数

本文以一台Y2-250M-4型、55kW船舶驱动用异步电机为分析对象，基于流一热协同机理对电机内温度场及流体场进行耦合数值计算，电机基本参数如表1所示.

基于有限元法对额定工况下电机内电磁场进行仿真计算，得到其损耗分布如表2所示.

2 模型确定及求解条件

2.1 数学模型

对驱动用异步电机内三维稳态温度场及流体场进行数值研究，由传热学基本原理可知，为实现方程简化不考虑时间项.并且采用三维稳态含热源与各向异性介质的导热控制方程，在直角坐标系下，三维导热方程表示如下：式中：t为固体待求温度（K）；K_x、k_y、k_z分别为材料沿x、y及z方向的导热系数（W/（m·K））；q为求解域内各热源体密度之和（W/m³）；a为散热表面的散热系数（W/（㎡·K》；T_f为散热面周围流体的温度（K）.

同时，根据流体力学理论，电机内流体的流动与传热满足质量、动量以及能量守恒定则，采用标准k-ε方程模型对流体进行描述.当流体为不可压缩且处于稳定流动状态时，其通用控制方程为：式中：φ、V为通用变量；ρ为流体密度；Γ为扩展系数；S为源项.

2.2 基本假设

根据驱动用异步电机结构及三维温度场求解域特点，为实现合理简化求解，做如下假设：

1）异步电机内空气的雷诺数很大（R_e>2300），故采用湍流模型对其流场进行求解；

2）异步电机流体场中，流体流速远小于声速，即马赫数（Ma数）很小，故视为不可压缩流体处理：

3）认为涡流效应对每根绕组的影响相同，对端部绕组采用平直化处理；

4）只考虑电机内流体流速的稳定状态，控制方程不含有时间项；

5）异步电机内各处浸漆均匀良好；将定子槽内上下层全部铜线分别等效为一个铜质导热体；槽内各处绝缘等效为一个绝缘实体.铜质导热体位于槽中心处，周围与槽壁平行，等效后的绝缘均匀分布在导热体周围.

2.3 通风结构

本电机采用全封闭自扇冷式冷却结构，电机端部采用与转子同轴驱动的离心式风扇以提供一定的冷却风量，从而对散热翅进行对流换热；另外电机内部转子两侧端环铸出一定结构尺寸的自励性风扇作用元件，搅动电机端部气腔内空气，促进电机内冷却介质将定转子端部热量传递出去.

2.4 物理模型

由以上基本假设及通风结构特点，可以建立电机内流体以及温度直接耦合求解的电机物理模型，根据电机外风路的结构特点以及电机结构件的导热性能，取电机的整个轴向长度半个圆周方向作为电机耦合场的求解域.图1为电机求解域物理模型，图中冷却介质空气的人口为电机端部离心式风扇处，出口为包裹电机的外部空气域.

图2为电机网格剖分示意图，根据电机的结构特点，求解域内不同区域采用不同的网格类型分别进行剖分，即混合网格类型，其中包括六面体八节点网格、楔形网格及棱锥网格.这种剖分方式具有高密度、高光滑性、低歪斜性等特点，能够确保临近单元的体积差很小，以准确的处理边界条件，提高计算精度.

2.5 边界条件

结合电机求解域设定及结构尺寸，边界条件为：