高压三相感应电机流体流动与传热分析

张亮，尹居宸

(1佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002；

2中国石油吉林石化公司乙二醇厂，吉林吉林132021)



高压三相感应电机流体流动与传热分析

张亮1，尹居宸2

(1佳木斯电机股份有限公司，黑龙江佳木斯154002；

2中国石油吉林石化公司乙二醇厂，吉林吉林132021)

摘要以一台YJKK5006-4、6kV、2500kW紧凑型高压感应电动机为样机，采用场路结合的方法，依据CFD(计算流体力学)和热力学理论，按照电机结构的实际尺寸建模计算。由于整体结构复杂，所以考虑电机通风冷却的过程和特点，对电机进行局部处理。根据动态方程理论对电机额定状态下运行状态的损耗进行计算分析，并将结果作为已知参考量加载入仿真分析中，综合分析电机内的流体流动和传热。既降低了计算仿真的难度也提高了模拟的准确度。

关键词感应电动机；流体场；温度场

0引言

电机的运行可靠性的评判标准中，电机稳定运行中的温升问题尤为重要，即电机本体内部各模块的温度场分布情况。一旦电机内温升长时间超过限额，就会出现绝缘部分出现分层、脱壳和老化等问题，进而使绝缘面的绝缘性能下降引起绝缘损坏，引发电机内部的短路故障，大大降低了性能，最终损毁电机。这些问题是电机领域内不允许出现的。所以，准确地描述模拟分析电机的运行状态，通过数字化方式来指导电机设计具有重要的意义。

电机在运行时会产生损耗，而损耗都会转化为热量不断地向周围介质传递导致电机内部温度的升高。所以准确计算电机内的损耗是分析温升的重要前提。在电机起动的瞬态条件下，电机内损耗积累量很大而电机转速又相对较低，导致了此时电机内的温升很高，容易产生绝缘老化等安全故障。因此准确的分析电机稳定运行过程中，损耗的变化是非常重要的。对于紧凑型高压电机测取电机的温升时，若采用试验的方法会很难实现。在电机运行实际过程中随着电机转速的变化转子中的漏磁通会增大，损耗也会上升，这会影响局部温升。为了缓解这个问题，技术人员在高压感应电机中设置了径向通风沟来协助换流散热，本文采用建立三维模型离散求解的方法来解决温度场数值计算的问题。

电机内部各部分的温度分布不仅仅要考虑电机的参数和结构，还要考虑实际运行中的各种工况，与设计理论相结合通过仿真分析，模拟电机实际运行时的状况。在准确描述电机内的实际情况后指导电机设计，这样可以大大节约设计成本，还可以减少样机的制造周期，对电机设计具有重要的意义。

1电机内流体的特性

根据电机的结构和工作环境的不同，不同电机使用的通风(流体)结构和冷却方式不同，高压感应电机一般采用空气、水、氢气等作为冷却介质进行冷却。冷却介质的的特性及其流动方式界定了整个电机的冷却效果。所以，对电机内冷却介质的种类和性质的研究是对电机内流体流动研究的首要条件。电机内流体的特性主要包含以下几个方面。

(1) 流体的粘性：指流体质点间可流层因相对运动而产生摩擦力而反抗相对运动的性质，实际流体都是具有粘性的；

(2) 流体的压缩性：指流体质点在一定压力差或温度差的条件下，其体积或密度可以改变的性质；

(3) 层流与湍流：层流指流体质点的轨迹随时间t改变的有规则的光滑曲线的流动；与之相反的流体流动称为湍流；

(4) 定常流动和非定常流动：流体流动时，流体中任何一点的压力，速度和密度等物理量都不随时间变化，则称为定常流动；反之，只要压力，速度和密度中任意一个物理量随时间变化，流体就是作非定常流动。电机中的流体一般认为是不可压缩的，非定常流动。

2流体流动的控制方程

(1) 质量守恒方程：在单位时间内流体微单元中质量的增加等同于在同一时间间隔内流体中该微单元的净质量，可以表示为质量守恒方程式

(1)

式中，ρ—密度；t—时间；u、v、w—x、y、z方向的速度分量。

(2) 动量守恒方程：作用在控制体上外力的合力与单位时间内，通过控制面流入控制体的动量之和等于单位时间内控制体中流体动量的增量，可以表示为动量守恒方程式

(2)

(3)

(4)

式中，μ—动力粘度；Su、Sv、Sw—守恒方程的广义源。

(3) 能量守恒方程：单位时间内由外界基于控制体的热量，通过控制面流入流体的能量之和等于单位时间内控制体中流体能量的增加，可以表示为能量守恒方程

(5)

式中，Cp—比热容；T—温度；k—流体的传热系数；Sτ—流体的内热源及由于粘性的作用流体的机械能转换为热能的部分。

(4) 守恒方程在CFD数值计算中的应用

以上三个方程式计算流体力学计算流体的基本方程，也是感应异步电机的CFD数值计算的基础。本文利用Fluent软件进行数值计算，将以上几个连续的可微方程进行离散求解。在软件中设置合适的初始和边界条件，利用这些方程进行离散的迭代计算，得到收敛近似解。

3电机内热传导基本理论

电机的铁心、定子绕组和转子导条等既是发热体也是导热体。电机内的其他部分，如：绝缘、槽楔和气隙等作为传热体与它们共同构成了电机内部复杂的发热、散热结构。

电机内的热传递主要有两种：铁心与定子绕组、转子导条间的热传递为热传导；通风道、气隙与定转子铁心、定子绕组、转子导条间的热传递为对流换热。这两种热传递形式完成了电机内主要的散热工作。而热传递的另一种形式辐射换热带走的热量所占比例非常之小，必要时可以忽略不计。式(6)为热传导的基本定律—傅立叶定律：通过物体内部任意位置出的导热热流密度与该点上的温度梯度成正比。

(6)

式中，φ—热流量；λ—热传导率；A—任意一点的的微元面积；T—任一点的温度。对单位传热面积则为

(7)

在电机模型中，将热流密度根据笛卡尔坐标系分解可得

(8)

根据上述两式可以看到，电机内部热传递的主要决定因素就是各导热体的热传导率λ，热传导接触面积A以及温差T。本文中将电机模型内部划分为单位网格，当网格够密集时可以认为是电机内部的许多节点，这些单位体积的温度可以近似看作节点的温度。在使用Fluent软件做温度分析时可以充分利用这一理论基础完成对电机内部温度的精确计算。

4高压感应电机的模型建立

如果整体建模计算，将会极大提高计算的数据量和复杂程度，所以现对电机模型进行简化。电机的基本参数及尺寸见表1。

表1　电机基本参数及尺寸

根据电机主要尺寸和基本参数决定，由于电机沿轴对称，所以取周向1/12大小，轴向第一条通风道及两侧定子铁心一半大小建立模型。其中包含定子槽5个及转子槽6个，轴及支架进行化简归算后加入模型。

根据上文所述，打开Gambit软件建立电机模型，由于本文考虑电机内流体流动对电机温升的影响，所以定子背部通风道以及转子底部与轴相接的通风道需要建立对应的空气流域体积；由于只考虑流体区域，所以铁心间的通风道的挡板和圆柱都可以去除。建立的模型如图1所示。

图1电机简化模型

5高压感应电机模型的网格剖分

根据有限差分法的基本原理，需要对所建立模型进行网格划分。网格的质量直接决定了求解结果的准确性和精度。在划分网格之前，使用Connect选项选取所有面进行连接设置，这样对于两个相连体在每一个为止的重合面就会变成一个面，防止划分网格时由于建模是的误差导致体、面之间的不相连而无法划分网格的情况。Gambit中的网格形式可以大体上归纳为结构网格和非结构网格。由于采取了简化的电机模型，在定转子铁心周向两侧的面属于周期对称面，需要使用Link命令将他们一一对应连接起来使用相同的网格划分形式。对于绕组，导条，绝缘，槽楔等体积较小的部分以及发热源都需要使用相对小一些的网格单位大小，以提高计算精确度。剖分网格后模型如图2所示，全模型共计剖分节点51.545万个，网格265万个，面545.573万个。

这里需要注意的是在网格划分完成后，应该使用Check命令对网格的质量进行检查，软件中会提示该单位体(或面)的剖分网格中存在的失真的(equisize skew>0.97)网格数量，说明网格质量不够好。这将会影响后续数值计算的准确性和正确性，还可能会导致解算结果不收敛等情况，需要重新选择网格类型重新剖分。

图2电机模型网格划分

6高压感应电机的模型的边界条件

Gambit中边界条件分为区域类型和边界条件

(1)区域类型：区域类型指模型中对应体的材料属性，即体为固体solid还是流体fluid。本文的区域类型大致划分如表2所示。

表2　区域类型

(2)边界类型：边界类型指模型中对应面的类型，如：质量入口，出口，周期性边界，内部结构面及对称面等。本文边界划分三维图见图3。

图3模型边界划分三维图

由于有转子支架的存在，所以模型转子底部轴向通风道入口分为两个，而定子背部轴向入口一个，都采用速度质量入口设置，出口为定子背部轴向出口。模型周向两侧的面为周期面，即在网格划分时相连接的一组面，将他们全部选择作为periodic分组，设置为周期面(PERIODIC)。由于本模型没有建立导条与转子铁心间的绝缘，所以将所有导条与铁心接触的面选择后作为barironmian分组，设置为壁面(WALL)，在之后的Fluent中再设置导热系数作为绝缘层。其他面可以不作设置，软件默认为WALL类型。这里的边界类型大致划分如表3所示。

表3　边界类型

7数值计算结果及分析

根据数值计算结果得到电机温度分布云图如图4所示，根据云图显示可以看出电机以额定状态稳定运行时温升最高处出现在定子绕组及转子导条中，通过绝缘层向铁心进行传热，由于定子与通风道接触面较大，所以可以看到定子铁心中的传热相对于转子更加均匀。

图4电机温度分布云图

根据数值计算结果得到电机流速分布云图如图5所示，可以观察到由于离心力的作用，转子底部通风道空气经过通风道进入定子背部通风道，经出口离开。通风道内的空气流速会因为导条，绕组等的影响分布不稳定，并在通风道气隙处由于通风路径的变窄出现最大速度。

图5电机流速分布云图

根据数值计算结果得到电机通风道截面的温度分布云图如图6所示，可以看到虽然定子绕组与导条温升很高，但是通风道内空气的温升并不高，所以可以认为其通过绝缘向通风道内空气散热的过程缓慢。由于转子的旋转，通风道内气体的流动路径发生改变，这影响了导条在通风道内部分的散热，也是的转子导条两侧温升的差异；这也同样使得铁心的温升不均匀。

图6电机通风道截面温度云图

根据数值计算结果得到电机通风道截面的速度矢量云图如图7所示，可以观察到通风道内气体流动方式极其复杂。在定子绕组与转子导条部分的空气流速会应为它们的阻碍加速聚集在两侧，通过后又会在末端出现局部的涡流；而且由于转子旋转的影响，转子部分空气速度出现周向偏移，接近于转子转速。

图7电机通风道截面速度矢量云图

结合图6和图7可以看出，在绕组与导条两侧的空气流速的不同导致了温升的明显差异，流速较快的一边温度低，这是因为流速快，带走的热量相对较多。

8结语

本文应用Gambit软件在给出电机基本参数的基础上建立了简化的电机模型，给出简单的区域及边界条件设置，并进行网格剖分以完成后续计算。根据流体和温度耦合场的方法计算出了电机模型各部分的温度场和流体场，并在径向通风道内设置截面观察了该截面的温度和速度分布情况。最后根据分布云图分析了电机内流体流动与传热。通过以上分析可知，采用本文使用的温度流体耦合场的数值计算方法会极大的提高计算机模拟计算的准确性，如果结合电机优化设计方法，对电机的进一步优化设计提供有力的依据。

参考文献

[1]鄢鸿羽．中型高压异步电机流体流动与传热计算分析[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2011：2-3．

[2]夏云彦．中型高压三相感应电动机起动过程研究性能计算[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012：2-3．

[3]戈宝军，梁艳萍，温嘉斌．电机学[M]．第二版．北京：中国电力出版社，2013：1-3．

[4]王国辉．中型高压异步电动机三维温度场计算与分析[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2011：26-30．

[5]夏云彦．紧凑型高效高压感应电机起动过程电磁热耦合研究[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014：3-50．

[6]何金泽．YJKK系列箱式紧凑型中型高压电机流体与产热预测分析[D]．哈尔滨：哈尔滨理工大学，2013：1-5．

[7]M.S.Rajagopal，K.N.Seetharamu，P.A.Aswatha Narayana．Finite Element Analysis od Radial Cooled RotatingElectricalMachines[J]．International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow，1999,9(1)：18-38．

Fluid Flow and Heat Transfer Analysis of High-Voltage Three-Phase Induction Motor

ZhangLiangandYinJuchen

(1.Jiamusi Electric Machine Co.,Ltd.,Jiamusi 154002,China；2.PetroChina Jilin Petrochemical Ethylene Glycol Plant, Jilin 132021, China)

AbstractBased on CFD (computational fluid dynamics) and thermodynamics theories, taking a YJKK5006-4 2500kW compact high-voltage induction motor with rated voltage 6kV as a prototype, this paper describes the modeling calculation of motor using field-circuit method according to actual size. Because of complicated overall structure, the motor was locally processed based on considering processes and characteristics of ventilation and cooling. The losses of motor at rated operating state were calculated and analyzed according to dynamic equation theory, the obtained result was loaded into simulation analysis as a known reference value, and the fluid flow and heat transfer inside the motor were comprehensively analyzed. It can not only reduce difficulty of simulation calculation but also improve accuracy of the simulation.

Key wordsInduction motor；fluid field；temperature field

收稿日期：2015-08-26

作者简介：张亮1979年生；毕业于哈尔滨理工大学机电技术及自动化专业，现从事电机技术管理工作.

中图分类号：TM346

文献标识码：A

文章编号：1008-7281(2016)02-0017-006

DOI:10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.02.06