船用发电机内部多物理场耦合数值分析

冯国增，姚寿广，刘 飞，陈 勇

(江苏科技大学 能源与动力学院，江苏 镇江 212003)

0 引 言

随着市场对电机单机容量需求的增大，电机运行过程中的损耗也随之提升，致使电机运行时的温升也不断升高，因此针对电机散热问题的研究至关重要[1]。电机定子、转子内部通风沟的存在对电机的散热起着关键性的作用，由于电机结构的复杂性，在过往的研究中，通常将冷却介质流过流道对电机运行过程中温度场的影响转化成散热系数[2–4]，并在电机温度场的计算过程中作为边界条件，且认为冷却介质在流道内温度与速度呈线性变化[5]。再者由于电机定转子之间气隙内流体复杂的流动情况，多是把电机转子与定子部分的温度场分开进行计算[6–8]，把定转子之间的热交换转化为散热系数加载，且很多是以一个径向风沟作为研究对象[9–11]，这造成了一定的误差。

本文通过Fluent对某型船用发电机定、转子的流场与温度场进行了耦合数值分析，避免使用经验公式把冷却介质对温度场的影响转化为散热系数进行加载，并且同时对电机定子、转子以及流场流道建立模型，气隙作为流道的一部分，分别与电机定子、转子部分发生对流换热，准确地得到电机通风沟内流体的流动状态与温度分布、电机固体部件的温度分布，并进行分析。

1 物理模型的建立

本文选取的研究对象为某船用发电机，并将电机的定子铁芯、转子铁芯、定子绕组、转子绕组、内部流道、转轴作为计算区域，采用三维软件Pro Engineer 5.0按实际尺寸进行建模，其结构尺寸参数如表1所示。

表 1 电机的基本尺寸Tab. 1 The basic parameters of the marine generator

由于该型船用发电机结构复杂紧凑，在不考虑其端部效应的情况下，需要物理模型做出合理的简化，进而简便计算，以下是对该电机模型做出的几点简化：

1）分别将发电机的定子铁芯与转子铁芯建立成一个整体。电机的定子铁芯、转子铁芯由硅钢片在强大的压力下叠压而成，使得各硅钢片之间无缝隙地紧密接触，可以看作一个整体。

2）分别将嵌于定子铁芯、转子铁芯槽内的定子绕组、转子绕组当作一个整体处理，由于绕组是由多匝线圈缠绕而成，各线圈之间紧密接触，所以建模时将其看成是一个长方体的细长铜条。

3）将铁芯与转子间的键槽忽略。键槽结构实现了转轴和转子之间的动力传递，而其与转子铁芯和转轴采用同种灰铸铁材料，而且尺寸比较小，所以忽略键槽结构对温度场的计算结果影响甚微。

4）将定转子铁芯以及绕组之间存在细小缝隙忽略，建立物理模型时看作无缝接触。

根据上述简化，得到船用发电机整体模型图，如图1所示。由图可知，该型发电机在结构上有着高度的对称性，并且各个物理场具有周期性分布，转子12个轴向风道，为了提高计算效率和精度，选择周向1/12模型（见图2）进行分析。由于模型的复杂性，为了保证计算的可行性，在保证计算准确性的前提下对发电机的流场与温度场做如下假设：

1）流场区域

① 发电机采用的是风扇冷却定、转子，所以是强制对流。风扇将热空气沿轴向抽出，所以冷却空气定子的沿径向流入径向风道，经过定子与转子之间的气隙，然后进入转子的径向风道，最后汇聚到轴向风道被抽出，起到了冷却的作用。

图 1 发电机整体模型图Fig. 1 The general model of the marine generator

图 2 发电机流固热耦合分析模型图Fig. 2 The fluid-solid heat coupled analysis model of the marine generator

② 径向风道的圆柱形结构决定了其高度对称性，所以假设冷却空气从各方向上沿着径向均匀地输送到电机内部，各方向的冷却空气温度、流速大小都相同。

③ 本文只考虑发电机在稳定工况下运行的情况，所以假定转子不转动。

④ 由于空气的物性参数在电机运行的过程当中变化不大，对最后计算结果影响较小，可以忽略。

2）温度场区域

① 忽略定子、转子绕组外面的绝缘物质，而且绕组作为发电机发热热源。

② 绕组产生的热负荷，均匀的加载到铁芯上。

③ 由于发电机各部分接触良好，忽略它们之间的接触热阻。

根据以上条件及假设，建立的该船用发电机的模型图，如图2所示。

2 网格剖分

本文该船用发电机的结构相当复杂，若取整机模型进行计算，则增加了计算的难度。从建立模型可以看出，该模型高度对称，因此本文选取了模型的1/12进行研究。模型存在几何尺寸较小的区域（如定转子之间的气隙），为了保证计算结果的准确，采用六面体网格进行划分。计算区域由流体域和固体域构成，在划分网格时采用分区划分。剖分网格图如图3～图6所示。

图 3 模型整体网格图Fig. 3 The mesh plot of the physical model

图 4 流场区域网格图Fig. 4 The mesh plot of the fluid regin

图 5 转子铁芯网格图Fig. 5 The mesh plot of the rotors'cores

图 6 定子铁芯网格图Fig. 6 The mesh plot of the stator'score

3 计算模型及边界条件的确定

3.1 计算模型的确定

本文主要目的是模拟船用发电机的温度场、流场，而且该模型的流场和温度场相互耦合，流体域和固体域不仅发生热传导，而且发生着对流换热现象，所以求解动量方程时要耦合能量方程。发电机工作时，其流道内冷却空气的风速远小于当地声速，流道内的冷却空气被看作不可压缩流体。另外由于空气的粘性对流场影响较大，所以不能忽略空气粘度的影响。在参考文献[12]中，作者根据传统方法计算得到流体速度，通过计算冷却空气的雷诺数，判定冷却空气在流道内为湍流，故采用紊流模型对内部流场进行求解，本例选择 RNG k-ε紊流模型[13]。

综上所述，通过分析得出，流道内的冷却空气为不可压缩、有粘性、紊流流动的流体，选择RNG k-ε紊流模型与传热模型进行耦合求解。

3.2 边界条件的确定

针对本文建立的模型，其边界条件有入口边界、出口边界、壁面边界、耦合边界和内部热源5种[14]。其中内部热源以生热率的方式加载在铁芯和绕组上。边界条件详细设置如下：

1）入口边界

冷却空气入口的边界定义为速度入口边界条件，根据连续方程可以求得空气入口处的速度为：V=6.87 m/s；入口处冷却空气的温度设为45 ℃。

2）出口边界

将流场的出口边界条件定义为压力出口边界条件，由于出口处风扇的抽吸作用，根据参考文献[15]，给定出口的相对压力为900 Pa。

3）耦合边界

耦合边界的设定，模型建立时存在2个体共用一个面的情况，例如冷却流体与固体对流接触面，固体与固体之间的导热接触面，均需要定义为耦合面，耦合面上能够实现各个物理量的耦合传递。

4）单边壁面边界

该电机模型求解域内除了耦合面外，还存在一些面只属于单个体，即电机物理模型的外表面都属于这类面。其中由于对称性，该电机计算域的两切面为绝热的边界条件；其他的单边壁面与外界环节发生热交换，所以处理这类壁面的边界条件时只需定义对流换热系数即可，由参考文献[14]的经验公式计算得：转子两端面换热系数116.18 W/（m2·k），定子外表面及两端面散热系数 10 W/（m2·k）。

5）内部热源

铜损、铁损以及其他附加损耗是电机运行过程中温度升高的主要原因。其中定转子绕组、定子铁芯是最主要的生热部件。由参考文献[14]计算公式分别得到内部热源载荷的大小，其中定子绕组的生热率为886 469.975 W/m3，定子铁芯的生热率为 33 664.225 W/m3，转子绕组的生热率为 197 605.218 W/m3。

4 模拟结果及分析

通过Fluent计算工具对该船用发电机进行流固热耦合数值模拟分析，采用SIMPLEC算法作为求解器，得到分析结果。

如图7所示，速度矢量图显示流场通道内空气的流动状态，其分布符合过流面积越小其流速越大，且在流道出口端的速度最大的规律。

图 7 流场区域速度分布图Fig. 7 The velocity distribution of the fluid region

压力云图显示流道内部随着空气的流动压力的变化情况，如图8所示。从入口端到出口端压力逐渐减小，符合沿着空气行程，其流速逐渐增大，压力逐渐减小的规律，且在出口端压力达到最低。

图 8 流场区域压力分布图Fig. 8 The pressure distribution of the fluid region

图9显示了发电机定子铁芯、定子绕组、转子绕组、转子铁芯及转轴、内部流道内流体的温度整体分布情况，整机模型的温度介于318 K～394 K，定子以及定子绕组的温度明显高于转子。

图 9 整体模型温度分布图Fig. 9 The temperature distribution of the analysis model

图 10 定子铁芯温度分布图Fig. 10 The temperature distribution of the stators' cores

图 11 转子铁芯温度分布图Fig. 11 The temperature distribution of the rotors' cores

图10与图11分别显示了定子铁芯以及转子铁芯的温度分布。对比定转子铁芯温度分布云图，可以看出定子铁芯两端温度较高，最高温度为394 K，转子铁芯的高温区域则出现在中心区域，并且沿轴方向，沿两边减小。定转子间的气隙使得定子、转子表面发生对流换热，由温度分布云图可以看出，定转子表面温度发生明显变化，气隙与定子绕组和转子对流换热热阻占主导作用，使得高温区域均出现在靠近气隙一侧。

图12显示了发电机内部通道内空气的温度分布情况，冷却空气流体与各部件表面进行对流换热，温度沿流动方向逐渐上升。由于气隙两端封闭，空气流动受阻，造成气隙中空气温度较高，且最高温度为366 K。传统的把气隙的作用作为散热系数加载于定转子表面会带来一定的误差，并不能很好地反应出实际情况。

图 12 流场区域温度分布图Fig. 12 The temperature distribution of the fluid region

综上可得，定转子表面温度发生明显变化，定子绕组与转子铁芯的温度最高区域均在靠近气隙一侧。流道内空气沿着行程方向，速度逐渐升高，压力逐渐降低。

5 结 语

本文通过对某型船用发电机定子、转子的温度场及内部流道流场与温度场进行了流固热耦合数值分析，得到如下结论：

1）在以往的三维研究中，大多采用单个铁芯段与流道作为研究对象进行分析，本文对该船用电机进行整机分析，包括轴向所有的铁芯段与空气流道。通过对电机三维流场与温度场的耦合计算，确定了冷却空气在流道内的温度与速度分布。

2）空气在定转子之间的气隙及内部流道内的流动复杂，压力、流速分布不均匀，沿着空气行程的方向，其速度逐渐升高，压力逐渐降低。

3）定转子之间的气隙与定子和转子的表面进行对流换热，热阻主要存在于空气侧，所以高温区域均出现在靠近气隙一侧，定子铁芯两端温度最高为366 K，转子绕组中间温度最高为337 K。

4）本文选取整机作为研究对象，合理简化模型，将温度场与速度场耦合计算，计算方法更加合理，计算结果更加可靠，为进一步优化该型船用电机提供了理论依据。