鄭國(guó)麗,豐 帆,周黎民,黃鵬程

(中車(chē)株洲電機(jī)有限公司,株洲412001)

電機(jī)的熱分析方法與應(yīng)用

鄭國(guó)麗,豐 帆,周黎民,黃鵬程

(中車(chē)株洲電機(jī)有限公司,株洲412001)

著重介紹了3種電機(jī)熱分析方法,包括類(lèi)比法、等效熱路法與數(shù)值解法。結(jié)合實(shí)例計(jì)算與試驗(yàn)數(shù)據(jù),詳細(xì)描述了每種計(jì)算方法的基本原理、計(jì)算過(guò)程、應(yīng)用范圍以及優(yōu)缺點(diǎn),提及的計(jì)算方法和內(nèi)容對(duì)電機(jī)熱設(shè)計(jì)具有重要的參考作用。

電機(jī)溫升;類(lèi)比法;等效熱路法;計(jì)算機(jī)數(shù)值解法

0 引 言

1 類(lèi)比法

電機(jī)溫升計(jì)算方法中最簡(jiǎn)單的方法即為類(lèi)比法,類(lèi)比法是根據(jù)電機(jī)的熱負(fù)荷估算溫升的一種簡(jiǎn)便方法[5-6]。

繞組有效部分的銅耗:

式中:m為相數(shù);N為每相線圈匝數(shù);Rcef為每根導(dǎo)體有效部分的電阻;I為相電流;ρ為導(dǎo)體材料的電阻率;l為導(dǎo)體有效部分的長(zhǎng)度;A0為導(dǎo)體截面積;J為導(dǎo)體電流密度。

電樞單位表面的銅耗:

式中:D為定子內(nèi)圓直徑;A為線負(fù)荷。上式表明當(dāng)繞組選用的材料一定,即電阻率ρ一定時(shí),qa與AJ成正比。由于qa直接影響電機(jī)的發(fā)熱與溫升,因此,電機(jī)的溫升與AJ的大小密切相關(guān),當(dāng)通風(fēng)方式、散熱條件不變時(shí),對(duì)溫升裕度比較大的電機(jī),可以直接采用類(lèi)比,即。AJ為已知電機(jī)溫升的熱負(fù)荷,Δθ為已知電機(jī)溫升,A′J′為待求電機(jī)溫升的熱負(fù)荷,Δθ′為待求電機(jī)溫升,K為系數(shù)。

以結(jié)構(gòu)相同,冷卻條件相同,功率不同的電動(dòng)輪異步牽引變頻電機(jī)為例,采用類(lèi)比法,根據(jù)熱負(fù)荷估

算電機(jī)繞組溫升,并與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,如表1所示。根據(jù)72 kW電機(jī)繞組溫升估算90 kW繞組溫升為48 K,與試驗(yàn)值相差3 K;根據(jù)75 kW電機(jī)繞組溫升估算110 kW繞組溫升為93 K,與試驗(yàn)值相差5 K。從試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,對(duì)于結(jié)構(gòu)不變,功率改變的電機(jī)可采用類(lèi)比法估算電機(jī)溫升。

表1 用類(lèi)比法計(jì)算電機(jī)溫升對(duì)比

2 等效熱路法

由于電機(jī)結(jié)構(gòu)多樣,部件繁多,內(nèi)部轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)等原因?qū)е铝鲃?dòng)傳熱問(wèn)題復(fù)雜多變,為了解決電機(jī)傳熱問(wèn)題的復(fù)雜性,在工程實(shí)踐中,一般采用等效熱路法計(jì)算電機(jī)定子鐵心和繞組平均溫升。等效熱路法是一種將溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化為熱路的一種算法,其中溫差等同于電路中的壓降,熱流等同于電路中的電流,熱阻等同于電路中的電阻[7]。

等效熱路法的基本原理:(1)導(dǎo)熱的基本定律為傅里葉定律為傳導(dǎo)的熱量,A為面積,λ為導(dǎo)熱系數(shù),?t是物體溫度沿x方向的變化率。?x(2)對(duì)流換熱的基本計(jì)算式為牛頓冷卻公式Φ=AhΔt,Φ為傳遞的熱量,A為面積,h為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù),Δt為壁面溫度和流體溫度差。(3)能量守恒定律。

方干一生經(jīng)歷了科場(chǎng)失意、社會(huì)動(dòng)蕩、貧病交迫等諸種苦難，雖然外在形式上是一名隱居鏡湖的隱士，然而隱逸的生活并不能讓方干擺脫生存的困境，只有尋求心靈的解脫和安寧，才能使方干得到片刻的慰藉。在內(nèi)外因的共同作用下使得方干在詩(shī)歌創(chuàng)作中將佛道出塵的心態(tài)和江南古剎清幽秀麗的風(fēng)景相結(jié)合，從而形成“清麗”的詩(shī)風(fēng)。佛道思想中超脫世俗的心境和鏡湖秀美山水得以在方干的詩(shī)歌中相遇，原本枯燥的教義變得生動(dòng)，而鏡湖上的風(fēng)景更變得曠達(dá)空靈。在方干多數(shù)詩(shī)歌中，并非直接進(jìn)行禪理的闡發(fā)，而是將情懷融入于山水林泉之中。同時(shí)也使筆下的山水顯得清麗生動(dòng)，就如齊已詩(shī)中說(shuō)方干“云門(mén)幾回去，偏題好林泉”。

熱平衡方程的建立:以機(jī)殼水冷的封閉式感應(yīng)電機(jī)為例建立三熱源熱路,圖1為電機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 結(jié)構(gòu)示意圖

熱路中的主要熱量來(lái)源于定子鐵耗、定子銅耗、轉(zhuǎn)子銅耗。電機(jī)運(yùn)行時(shí),轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的熱量,其中一部分從轉(zhuǎn)子兩端由機(jī)內(nèi)循環(huán)空氣直接帶至機(jī)座,另一部分通過(guò)氣隙傳到定子鐵心再傳給機(jī)座。定子銅耗和鐵耗,小部分通過(guò)循環(huán)空氣傳給機(jī)座,大部分通過(guò)鐵心傳給機(jī)座。同時(shí)鐵心和繞組之間通過(guò)絕緣傳遞熱量。最后傳到機(jī)座的熱量絕大部分由冷卻水帶走,少量通過(guò)端蓋表面散出。根據(jù)以上分析,假設(shè)定子繞組、鐵心、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條都是等溫體并且假設(shè)電機(jī)內(nèi)部冷卻空氣的溫度均勻并且等于機(jī)座溫度,建立等效熱路如圖2所示。

圖2 三熱源熱路圖

圖2 中,R2為轉(zhuǎn)子端部的表面散熱熱阻;R12為定轉(zhuǎn)子間通過(guò)空氣隙的熱阻;RFe為定子鐵心散熱熱阻;RK為機(jī)座的表面散熱熱阻;RCF為定子繞組、鐵心之間絕緣的傳導(dǎo)熱阻;RC1為定子端部繞組的表面散熱熱阻。pcu1為定子銅耗;pCu2為轉(zhuǎn)子銅耗;pFe為定子鐵耗。

根據(jù)熱路圖列熱平衡方程式如下:

方程中 Δτcu1,ΔτCu2,ΔτFe,ΔτK分別代表定子繞組溫升,轉(zhuǎn)子導(dǎo)條溫升,定子鐵心溫升和機(jī)座溫升。已知損耗分布,根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算熱阻后,解熱平衡方程,得到 Δτcu1=37.2 K,ΔτCu2=98 K,ΔτFe=29.4 K,ΔτK=4.8 K,試驗(yàn)測(cè)量定子繞組平均溫升37.1 K,計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合,說(shuō)明機(jī)殼水冷的封閉式感應(yīng)電機(jī)采用三熱源等效熱路法計(jì)算電機(jī)溫升可行。

電機(jī)溫升計(jì)算方法中還有一類(lèi)是以等效熱路法為基礎(chǔ)的熱網(wǎng)絡(luò)法[8],這類(lèi)方法主要應(yīng)用中小型電機(jī)。等效熱網(wǎng)絡(luò)法是把電機(jī)部件分成多個(gè)單元節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)之間的熱量傳遞包括導(dǎo)熱和對(duì)流換熱,采用熱阻代替,各個(gè)節(jié)點(diǎn)認(rèn)為是具有集總參數(shù)的單元,對(duì)每個(gè)單元建立熱平衡方程并求解,由于節(jié)點(diǎn)較多,因此計(jì)算相對(duì)繁瑣,計(jì)算得到的電機(jī)溫升分布相比三熱源熱路法更為精確詳細(xì)。

3 CFD數(shù)值解法

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(以下簡(jiǎn)稱CFD)應(yīng)用于電機(jī)的通風(fēng)散熱分析上,基本思想可歸結(jié)如下:把電機(jī)內(nèi)原有在時(shí)間域和空間域上連續(xù)的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)用一系列的離散點(diǎn)的變量值代替,通過(guò)質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒等原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組。然后通過(guò)求解代數(shù)方程組獲得場(chǎng)變量的近似值。通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算和圖像顯示,我們能對(duì)電機(jī)內(nèi)部復(fù)雜的流動(dòng)傳熱物理現(xiàn)象作出分析并解決電機(jī)的冷卻設(shè)計(jì)問(wèn)題[9]。

以冷卻方式為IC611的三相異步電機(jī)為例,冷卻回路的布置方式為初級(jí)冷卻介質(zhì)在閉合回路內(nèi)循環(huán),并通過(guò)直接安裝在電機(jī)上的外裝式冷卻器,把熱量傳遞給次級(jí)冷卻介質(zhì),次級(jí)冷卻介質(zhì)為周?chē)h(huán)境介質(zhì)。通風(fēng)系統(tǒng)如圖3所示。此通風(fēng)系統(tǒng)的特點(diǎn):具有內(nèi)外兩個(gè)風(fēng)路,定轉(zhuǎn)子布置多個(gè)徑向風(fēng)道,在外風(fēng)扇和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)作用下,內(nèi)部空氣處于湍流狀態(tài),壓力、速度、溫度等參數(shù)非均勻分布,如果采用等效熱網(wǎng)絡(luò)法求解,需要依次計(jì)算風(fēng)阻、風(fēng)量、風(fēng)速,然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算換熱系數(shù)從而計(jì)算熱阻。由于內(nèi)部流域復(fù)雜,熱路搭建困難,換熱系數(shù)計(jì)算準(zhǔn)確性差,并且無(wú)法獲得電機(jī)流體場(chǎng)與溫度場(chǎng)的分布情況,因此對(duì)于這種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的電機(jī)采用CFD方法計(jì)算溫升更加準(zhǔn)確合理。

圖3 徑向通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

CFD計(jì)算過(guò)程:(1)確定要模擬的域,創(chuàng)建實(shí)體模型表示計(jì)算域,由于電機(jī)結(jié)構(gòu)無(wú)周期性也無(wú)對(duì)稱性,因此建立電機(jī)的全模型作為計(jì)算域。(2)設(shè)計(jì)和創(chuàng)建網(wǎng)格,由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜,網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)保證網(wǎng)格質(zhì)量控制網(wǎng)格數(shù)量。(3)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置材料屬性、區(qū)域?qū)傩浴⑦吔鐥l件等。(4)定義求解器設(shè)置進(jìn)行計(jì)算求解。(5)后處理。

采用CFD數(shù)值解法計(jì)算該電機(jī)可以獲得的分析數(shù)據(jù)包括:(1)內(nèi)外風(fēng)路的冷卻介質(zhì)流量,分析風(fēng)量是否滿足冷卻要求。(2)計(jì)算機(jī)械損耗,從而優(yōu)化結(jié)構(gòu),降低損耗,提高效率。(3)冷卻器管內(nèi)外風(fēng)速,對(duì)流換熱溫差,風(fēng)阻,判斷冷卻效果。(4)各徑向風(fēng)道流量分布,可通過(guò)調(diào)整結(jié)構(gòu)調(diào)整風(fēng)量分布。(5)繞組軸向溫度分布以及熱點(diǎn)溫度?？色@得計(jì)算域內(nèi)任意截面溫度分布。(6)流體域內(nèi)的壓力分布,正壓區(qū)域和負(fù)壓區(qū)域。(7)根據(jù)速度矢量圖分析流體流向以及判斷渦流區(qū)域。

將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比對(duì),定子繞組每相埋置兩個(gè)檢溫計(jì),三相共采集6處溫度點(diǎn),計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差均小于5%,說(shuō)明計(jì)算方法可行,如表2所示。

CFD方法的難點(diǎn)為電機(jī)結(jié)構(gòu)形式多樣化,零部件眾多,幾何處理、網(wǎng)格劃分難度大,前處理耗時(shí)長(zhǎng)。由于計(jì)算規(guī)模大,流場(chǎng)復(fù)雜對(duì)求解器要求高,并且計(jì)算涉及多場(chǎng)耦合。隨著仿真技術(shù)的不斷發(fā)展,采用CFD計(jì)算電機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的方法逐漸被越來(lái)越多的電機(jī)設(shè)計(jì)者采用和推廣。

表2 定子繞組溫升計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要介紹了3種電機(jī)熱分析方法,根據(jù)電機(jī)類(lèi)型選擇合適的計(jì)算方法可節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間,并且提高熱設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,使設(shè)計(jì)方案先進(jìn)合理,針對(duì)3種計(jì)算方法的難點(diǎn)和適用的電機(jī)類(lèi)型總結(jié)如下:

1)類(lèi)比法的關(guān)鍵點(diǎn)是計(jì)算電機(jī)的熱負(fù)荷AJ,計(jì)算方法適用于通風(fēng)方式、散熱條件不變時(shí),對(duì)溫升裕度比較大的電機(jī),例如結(jié)構(gòu)相同,冷卻條件相同,功率不同的電機(jī)。

2)等效熱路法的關(guān)鍵點(diǎn)是搭建熱路模型,建立熱平衡方程組,計(jì)算熱阻并進(jìn)行求解,此方法計(jì)算速度快,節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間,方法的準(zhǔn)確性依賴熱參數(shù)和熱交換系數(shù)的準(zhǔn)確性,適用于封閉式電機(jī)等風(fēng)路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的中小型電機(jī)。

3)CFD數(shù)值解法的關(guān)鍵點(diǎn)是計(jì)算域的選取,網(wǎng)格剖分,邊界條件建立等,對(duì)計(jì)算機(jī)的硬件要求較高,計(jì)算周期長(zhǎng),具有強(qiáng)大的后處理功能,廣泛適用于各種電機(jī)類(lèi)型。

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Thermal Analysis M ethod and App lication of M otor

ZHENGGuo-li,FENGFan,ZHOULi-min,HUANGPeng-cheng
(CRRC Zhuzhou Electric Co.,Ltd.,Zhuzhou 412001,China)

Three kinds of thermal analysismethods were proposed,including the analogymethod,the equivalent thermal circuitmethod and the numericalmethod.The basic principle,calculation procedure,the application range of each calculationmethod aswell as advantages and disadvantages were described in detail with the example calculation and test data.The calculation methods and contents have important reference value for the thermal design of electricalmachines.

motor temperature rise;analogymethod;equivalent thermal circuitmethod;computer numerical solution

TM 301.4+1

A

1004-7018(2017)09-0078-03

2016-08-12

鄭國(guó)麗(1984-),女,碩士研究生,工程師,從事工業(yè)特種電機(jī)傳熱與流動(dòng)數(shù)值模擬研究。