大型H710空冷电机定子温升计算研究

马 越，薛 超，李倩倩

(上海电气集团上海电机厂有限公司，上海 200240)

0 引言

高压大型异步电机市场竞争趋于激烈，用户对电机性能、可靠性、成本等方面的要求不断提高。

温升是电机设计及运行中的一项重要指标。电机温升直接关系到系统的性能和经济指标，同时还影响绝缘寿命和运行可靠性。因此，电机温升的准确计算是电机设计和研究中的关键问题[1]。

国内外的许多专家学者对电机温度场的计算进行了研究，温度场的计算日趋精确[2]。目前常用的温度场计算方法有：简化公式法、等效热路法及有限元法等。

简化公式法就是利用牛顿散热定理来计算电机温升。散热系数来源于实验数据，只能求出平均温升，因此应用受限。

等效热路法又称热网格法，用来计算电机各部分的平均温升。其计算结果的合理性和准确性与热网格的建立有关，需要丰富的实践经验。

有限元法能够得到电机的温度场分布，计算精度高。但其计算复杂，对计算机的依赖程度较高。有限体积法计算精度较高，可以应用于各种复杂的边界形状区域，物理概念清晰，容易编程。有限体积法成为了工程界最流行的数值计算方法。

本文采用有限体积法来求解电机内流体流动与传热同时存在的温度场问题[3]。证明不同分析方案的温升误差在工程精度要求内，可以采取局部定子分析方案或局部铁心档分析方案进行优化。

1 电机结构特点及流路分布

1．1 电机参数

电机额定功率2 650 kW，额定电压10 000 V，额定转速1 492 r/min，额定频率50 Hz，极数4 P，定子外径1 120 mm，内径718 mm。

1．2 电机风路结构

图1为该电机流路示意图，该电机风路为对称风路。冷却后的空气由电机进风口进入电机内部，分成三路：第一路，风通过转子焊筋轴或转子孔进入转子内部，经转子径向风道旋转加压后进入气隙，再进入定子径向风道，通过定子铁心背部流出，进入冷却器；第二路，从进风口直接进入定转子之间的气隙，和主风路汇合，进入定子径向风道；第三路，部分空气直接进入端部空间，在冷却完端部绕组后由机座壁孔流进电机出风口，从电机出风口进入冷却器。

图1 电机流路示意图

2 电机温度场计算模型

2．1 基本假设

电机内部流体看作不可压缩流体，采用湍流模型进行求解，电机的工作状态为稳态，未考虑瞬态。电机内部件进行简化，不考虑辐射，不考虑机壳散热[4]。

2．2 损耗分布

电机运行时要产生损耗，这些损耗最终都转化为热能，造成了电机各部分的温度升高。因此，损耗的准确计算和分布是计算电机温升的前提和基础，关系到电机内温度场能否准确求解。

大型H710空冷电机总损耗为102.96 kW，具体的损耗类型见表1。

表1 电机损耗分布表

2．3 材料属性

电机运行时，内部空气温度为55 ℃。该状态下的空气物性参数见表2。

表2 空气物性参数

电机内主要固体部件的导热率见表3。

表3 电机固体材料属性表

2．4 边界条件

由于该电机恒频工作，取同步转速1 500 r/min进行仿真计算。

进口流量2.24 kg/s，进口温度43.5 ℃，环境温度24.1 ℃。

2．5 计算域范围选择

温度场分析所需计算资源较大，计算周期较长，常采用周期性的研究方法。对此，本文研究了整机、周期、局部定子、局部铁心档的温升计算方案，具体方案的计算域见图2～图5。

图2 整机分析模型

图3 周期分析模型

图4 局部定子分析模型

图5 局部铁心档分析模型

3 计算结果分析

3．1 整机温升分析结果

图6给出了整机温升分析计算残差收敛曲线。图中可以看出，计算迭代至300计算步后，残差小于10-3，计算已趋于收敛。

图6 电机温升计算收敛曲线

图7、图8是整机分析模型的电机温度分布图和电机轴向截面温度分布图。可以看出，电机绕组直线部分温度最高，端部温度相对较低，这是因为端部直接跟空气接触，冷却空气最先冷却绕组端部，此时空气温度较低。还可以看出，上层线圈温度高于下层线圈，这是因为气隙中的空气在进入径向风道时先冷却定子线圈下层及其两侧，而后再冷却线圈上层及其两侧。定子铁心中每个铁心档与空气接触的温度较低，每档中心处温度较高，这是因为铁心档两侧直接与冷却空气接触，进行对流换热，而铁心档中心处只能向两侧进行热传导，故每档中心温度较高。

图7 电机温度分布图 图8 电机轴向截面温度分布图

3．2 周期温升分析结果

图9、图10是周期分析模型的电机温度分布图和电机轴向截面温度分布图。可以看出，主要部件的温度趋势相同，端部绕组温度低于绕组直线部分，上层线圈温度高于下层线圈，铁心档中心处温度高于铁心档两侧，转子温度低于定子温度。

图9 电机温度分布图 图10 电机轴向截面温度分布图

3．3 局部定子温升分析结果

图11、图12是局部定子分析模型的电机温度分布图和电机轴向截面温度分布图。可以看出主要部件的温度趋势相同。该分析只能给出定子温度分布。

图11 电机温度分布图 图12 电机轴向截面温度分布图

3．4 局部铁心档温升分析结果

图13、图14是局部铁心档分析模型的电机温度分布图和电机轴向截面温度分布图。该分析只能给出定子直线部分的温度分布。由于研究部分较短，线圈上下层温度区别不明显，线圈内的温度基本相同，不过仍可以看出铁心档靠近冷却空气的两侧温度低于铁心档中部。

图13 电机温度分布图 图14 电机轴向截面温度分布图

3．5 各分析方案结果比较

通过仿真后处理，得到各分析方案的电机主要部件温升见表4。

表4 电机主要部件温升表 单位：K

可以看出，整机分析方案和周期分析方案都可以得到定子和转子的温度分布，局部定子和局部铁心档分析方案只能得到定子的温度分布。

周期分析方案中定子温升结果高于整机分析结果，其定子线圈平均温升高于整机分析结果3.4 K，相对误差为5.4%；定子线圈最高温升高于整机分析结果3.2 K，相对误差为3.7%。转子温升结果和整机分析方案结果基本一致。

局部定子分析方案中定子温升结果低于整机分析结果，其定子线圈平均温升低于整机分析结果0.3 K，相对误差为0.5%；其定子线圈最高温升低于整机分析结果3.4 K，相对误差为3.9%。

局部铁心档分析方案中定子温升结果与整机分析结果相比有高有低，其定子铁心平均温升略低于整机分析结果1.1 K，相对误差为1.6%；定子线圈最高温升高于整机分析结果1.5 K，相对误差为1.7%；其定子线圈平均温升高于整机分析24.5 K，相对误差为38.8%，误差较大。经分析，此方案的定子线圈平均温升和最高温升基本相同，平均温升误差较大的原因为局部铁心档分析方案的线圈较短，且没有端部，无法代表整个线圈的平均温度。

4 结论

本文对大型H710空冷电机进行了CFD温升分析，使用不同的分析方案进行了对比，得到以下结论。

(1) 大型H710电机整机分析方案的定子线圈平均温升63.2 K，最高温升86.5 K，满足温升考核标准。

(2) 不同分析方案的温升误差在工程精度要求内，局部铁心档分析方案的定子平均温升不能代表整个线圈温度，误差较大。

(3) 整机模型复杂，所需计算资源较大，可以采取局部定子分析方案或局部铁心档分析方案进行优化。