试论YKK系列中型高压电机流体场与温度场的计算

贾荣生

摘要：从上个世纪九十年代开始我国出现了第一批YKK系列中型高压电机，因其具有较高的效率与性能，需要消耗的能源相对较少，并且产生的噪音与振动也相对较少，能够较好地完成通风机、水泵等众多机械的驱动工作，因此受到了机械工业以及相关领域的广泛欢迎和使用。但由于电机本身具有十分复杂的结构，因此长期以来其始终无法有效解决运行升温过高的问题。而本文将尝试通过计算YKK系列中型高压电机流体场与温度场，希望能够为解决这一问题提供相应参考数值。

关键词：YKK系列；中型高压电机；流体场；温度场；计算

在科学技术水平飞速提升之下，用于数值计算方面的相关软件越来越多，在有效提升数值计算效率的同时也使得计算结果变得更加精准、真实，因此本文将通过使用CFD软件，完成计算YKK系列中型高压电机中的流体场与温度场的工作，并利用实验验证的方式对计算结果的真实性与有效性进行科学验证。

一、建立三维计算模型

本文随机算则一台500kW且处于额定状态下的YKK系列中型高压电机作为样机，建立起内风路流体场模型。在此过程中，笔者将选择使用Gambit软件，通过机座外壁与内部全部实体相减的方式完成电机内风路流体域模型的建立。鉴于之后需要耦合计算电机的流体场和温度场，因此在Gambit软件当中笔者将在交界面设置栏当中自动勾选流固耦合面，并将Fluent导入其中使得流固耦合面可以被分为Wall以及Wall Shadow这两个面并通过对其进行进一步处理，使之可以成为Coupled边界条件。当电机保持稳定运行的情况下，内部转子、轴等会处于旋转状态，因此在进行三维计算模型建立时还需要选用z轴作为其旋转轴。通过此种方式建立而成的流体域模型，会在Gambit中分别用Soild和Fluid表示中型高压电机的固体和流体部分，但鉴于电机内部无法进行对称流动，因此需要通过整体建模的方式用以完整展现出电机内部流体的实际流动情况。为方便接下来的耦合计算，本文将对建立起的三維计算模型进行进一步简化，将求解电机温度场的模型直接设置为通风沟及其两侧铁心段，因此沿着旋转轴的方向，本文所构建的模型有着9cm的厚度，机座的横截面为标准的矩形形状[1]。

二、划分流体模型的网格

在划分出电价当中需要计算的区域之后，需要进行离散处理，而在此之前则需要对流体模型进行网格划分，也就是将原本连续的计算区域划分成为若干子区域，从而使得离散之后，在每一个网格节点当中都能够有效存储离散之后的网格节点。但笔者发现，在实际计算电机流体场和温度场的过程中，常常会在比较复杂的区域当中出现电机的流动问题以及传热问题，这也意味着需要划分的计算区域往往是不规则的。因此通过结合现有的相关研究资料，笔者选择使用非结构化的方式完成流体模型的网格划分。首先需要进行交界面设置，即设置Interface面作为计算区域的交界面，用于负责整合各个面当中的相关数据，之后通过先表面后整体的顺序划分气隙，用以完成对模型网格的划分。但值得注意的是，在划分过程中需要结合实际情况适当对部分网格进行加密处理[2]。

三、样机流体场与温度差的耦合计算

（一）耦合计算

本文选择的计算区域为电机的径向通风沟以及气隙区域，具体来说就是所选样机当中的第三个通风沟及其相邻的铁心段，通过采用上述方法进行模型建立和网格划分之后，使用CFD软件能够对电机中各个部件包括定子铁心与绕组、定子绝缘和槽楔以及转子导条的平均温度以及最高和最低温度进行准确测量，在测量过程中我们可以得知在定子绕组位置处出现了381K的电机最高温度，而由于转子温度本身并无较大的分布差异，因此其有着相对更加的通风散热效果。

在计算定子温度的过程当中，鉴于定子铁心是由若干硅钢片叠加而成，并且温度分布存在较大差异，因此定子齿部的上下温度也存在一定差异，其下部温度要略高于上部，而在不断增加的径向高度影响下，温度开始呈现出小幅小将的趋势，这主要是由于其与绕组位置相距甚远。经CFD软件计算可得定子下层的绕组温度可达381K左右，但上层绕组却拥有更加理想的温升以及冷却效果，因此我们也可以推断出此时流体未能保持对称的流动、两侧壁面存在明显温差。

在随后的径向和定子通风沟的流体场温度以及温度场温度计算当中，我们同样可以发现，经由转子幅板的冷卻气体会在不断向定子背部流动的过程中出现逐渐升温的情况，经计算我们可以得知此时的温度大约在343K左右，虽然看似温升并不高，但实际上由于绕组有着较大的发热量，因此使得其附近温度得到迅速升高。而由气隙流向定子径向通风沟的流体，会在同固体表面进行接触之后，产生比较抢了的对流换热系数变化，并且根据径向高度的不断变化，流体的流通截面也会随之出现相应的增加和缩小变化。

（二）仿真验证

为进一步验证CFD软件对本文选取样机流体场和温度场计算结果的真实性，笔者将通过结合相关国家标准规定，测试在额定负载运行条件下的电机温度，并通过计算出平均绕组温度将其与理论上计算出的结果进行对比分析，如果两者之间并无较大误差，则代表理论计算值具有较好的真实性，而本文构建起的计算模型也具有较好的有效性。而通过相关仿真实验，笔者发现理论计算值还是和实际检测得到的数值之间存在一定差异，但由于本文在计算电机流体场和温度场时为了方便计算，并没有对通风和机械损耗进行考量，因此误差值并不大，计算结果具有一定的真实性和有效性。

四、结语

总而言之，本文通过选择一台基于额定状态下的YKK系列中型高压电机，并为有效简化计算过程、提升计算效率与结果的精准度，在建立相关三维计算模型之后，选择使用专业的CFD软件完成电机流体场与温度场的计算。同时通过仿真实验对计算结果进行分析验证，了解到理论上的计算值与实际检测值之间并无较大的误差，因此进一步证明了本文设计的计算模型具有较高的精确性。

参考文献：

[1]侯健.YKK系列中型高压电机流体场与温度场的计算分析[D].哈尔滨理工大学，2015.

[2]郑军.YKK中型高压异步电机流体场与温度场综合计算[D].哈尔滨理工大学，2016.