电机的热分析方法与应用

郑国丽,丰 帆,周黎民,黄鹏程

(中车株洲电机有限公司,株洲412001)

电机的热分析方法与应用

郑国丽,丰 帆,周黎民,黄鹏程

(中车株洲电机有限公司,株洲412001)

着重介绍了3种电机热分析方法,包括类比法、等效热路法与数值解法。结合实例计算与试验数据,详细描述了每种计算方法的基本原理、计算过程、应用范围以及优缺点,提及的计算方法和内容对电机热设计具有重要的参考作用。

电机温升;类比法;等效热路法;计算机数值解法

0 引 言

1 类比法

电机温升计算方法中最简单的方法即为类比法,类比法是根据电机的热负荷估算温升的一种简便方法[5-6]。

绕组有效部分的铜耗:

式中:m为相数;N为每相线圈匝数;Rcef为每根导体有效部分的电阻;I为相电流;ρ为导体材料的电阻率;l为导体有效部分的长度;A0为导体截面积;J为导体电流密度。

电枢单位表面的铜耗:

式中:D为定子内圆直径;A为线负荷。上式表明当绕组选用的材料一定,即电阻率ρ一定时,qa与AJ成正比。由于qa直接影响电机的发热与温升,因此,电机的温升与AJ的大小密切相关,当通风方式、散热条件不变时,对温升裕度比较大的电机,可以直接采用类比,即。AJ为已知电机温升的热负荷,Δθ为已知电机温升,A′J′为待求电机温升的热负荷,Δθ′为待求电机温升,K为系数。

以结构相同,冷却条件相同,功率不同的电动轮异步牵引变频电机为例,采用类比法,根据热负荷估

算电机绕组温升,并与试验数据对比,如表1所示。根据72 kW电机绕组温升估算90 kW绕组温升为48 K,与试验值相差3 K;根据75 kW电机绕组温升估算110 kW绕组温升为93 K,与试验值相差5 K。从试验结果来看,对于结构不变,功率改变的电机可采用类比法估算电机温升。

表1 用类比法计算电机温升对比

2 等效热路法

由于电机结构多样,部件繁多,内部转子旋转等原因导致流动传热问题复杂多变,为了解决电机传热问题的复杂性,在工程实践中,一般采用等效热路法计算电机定子铁心和绕组平均温升。等效热路法是一种将温度场简化为热路的一种算法,其中温差等同于电路中的压降,热流等同于电路中的电流,热阻等同于电路中的电阻[7]。

等效热路法的基本原理:(1)导热的基本定律为傅里叶定律为传导的热量,A为面积,λ为导热系数,∂t是物体温度沿x方向的变化率。∂x(2)对流换热的基本计算式为牛顿冷却公式Φ=AhΔt,Φ为传递的热量,A为面积,h为表面传热系数,Δt为壁面温度和流体温度差。(3)能量守恒定律。

方干一生经历了科场失意、社会动荡、贫病交迫等诸种苦难，虽然外在形式上是一名隐居镜湖的隐士，然而隐逸的生活并不能让方干摆脱生存的困境，只有寻求心灵的解脱和安宁，才能使方干得到片刻的慰藉。在内外因的共同作用下使得方干在诗歌创作中将佛道出尘的心态和江南古刹清幽秀丽的风景相结合，从而形成“清丽”的诗风。佛道思想中超脱世俗的心境和镜湖秀美山水得以在方干的诗歌中相遇，原本枯燥的教义变得生动，而镜湖上的风景更变得旷达空灵。在方干多数诗歌中，并非直接进行禅理的阐发，而是将情怀融入于山水林泉之中。同时也使笔下的山水显得清丽生动，就如齐已诗中说方干“云门几回去，偏题好林泉”。

热平衡方程的建立:以机壳水冷的封闭式感应电机为例建立三热源热路,图1为电机结构示意图。

图1 结构示意图

热路中的主要热量来源于定子铁耗、定子铜耗、转子铜耗。电机运行时,转子所产生的热量,其中一部分从转子两端由机内循环空气直接带至机座,另一部分通过气隙传到定子铁心再传给机座。定子铜耗和铁耗,小部分通过循环空气传给机座,大部分通过铁心传给机座。同时铁心和绕组之间通过绝缘传递热量。最后传到机座的热量绝大部分由冷却水带走,少量通过端盖表面散出。根据以上分析,假设定子绕组、铁心、转子导条都是等温体并且假设电机内部冷却空气的温度均匀并且等于机座温度,建立等效热路如图2所示。

图2 三热源热路图

图2 中,R2为转子端部的表面散热热阻;R12为定转子间通过空气隙的热阻;RFe为定子铁心散热热阻;RK为机座的表面散热热阻;RCF为定子绕组、铁心之间绝缘的传导热阻;RC1为定子端部绕组的表面散热热阻。pcu1为定子铜耗;pCu2为转子铜耗;pFe为定子铁耗。

根据热路图列热平衡方程式如下:

方程中 Δτcu1,ΔτCu2,ΔτFe,ΔτK分别代表定子绕组温升,转子导条温升,定子铁心温升和机座温升。已知损耗分布,根据经验公式计算热阻后,解热平衡方程,得到 Δτcu1=37.2 K,ΔτCu2=98 K,ΔτFe=29.4 K,ΔτK=4.8 K,试验测量定子绕组平均温升37.1 K,计算值与试验值吻合,说明机壳水冷的封闭式感应电机采用三热源等效热路法计算电机温升可行。

电机温升计算方法中还有一类是以等效热路法为基础的热网络法[8],这类方法主要应用中小型电机。等效热网络法是把电机部件分成多个单元节点,节点之间的热量传递包括导热和对流换热,采用热阻代替,各个节点认为是具有集总参数的单元,对每个单元建立热平衡方程并求解,由于节点较多,因此计算相对繁琐,计算得到的电机温升分布相比三热源热路法更为精确详细。

3 CFD数值解法

计算流体动力学(以下简称CFD)应用于电机的通风散热分析上,基本思想可归结如下:把电机内原有在时间域和空间域上连续的速度场、压力场、温度场用一系列的离散点的变量值代替,通过质量守恒、动量守恒和能量守恒等原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组。然后通过求解代数方程组获得场变量的近似值。通过数值模拟计算和图像显示,我们能对电机内部复杂的流动传热物理现象作出分析并解决电机的冷却设计问题[9]。

以冷却方式为IC611的三相异步电机为例,冷却回路的布置方式为初级冷却介质在闭合回路内循环,并通过直接安装在电机上的外装式冷却器,把热量传递给次级冷却介质,次级冷却介质为周围环境介质。通风系统如图3所示。此通风系统的特点:具有内外两个风路,定转子布置多个径向风道,在外风扇和转子的旋转作用下,内部空气处于湍流状态,压力、速度、温度等参数非均匀分布,如果采用等效热网络法求解,需要依次计算风阻、风量、风速,然后根据经验公式计算换热系数从而计算热阻。由于内部流域复杂,热路搭建困难,换热系数计算准确性差,并且无法获得电机流体场与温度场的分布情况,因此对于这种复杂结构的电机采用CFD方法计算温升更加准确合理。

图3 径向通风系统示意图

CFD计算过程:(1)确定要模拟的域,创建实体模型表示计算域,由于电机结构无周期性也无对称性,因此建立电机的全模型作为计算域。(2)设计和创建网格,由于结构复杂,网格划分时应保证网格质量控制网格数量。(3)根据实际情况设置材料属性、区域属性、边界条件等。(4)定义求解器设置进行计算求解。(5)后处理。

采用CFD数值解法计算该电机可以获得的分析数据包括:(1)内外风路的冷却介质流量,分析风量是否满足冷却要求。(2)计算机械损耗,从而优化结构,降低损耗,提高效率。(3)冷却器管内外风速,对流换热温差,风阻,判断冷却效果。(4)各径向风道流量分布,可通过调整结构调整风量分布。(5)绕组轴向温度分布以及热点温度。可获得计算域内任意截面温度分布。(6)流体域内的压力分布,正压区域和负压区域。(7)根据速度矢量图分析流体流向以及判断涡流区域。

将计算结果与实验值比对,定子绕组每相埋置两个检温计,三相共采集6处温度点,计算值与试验值的误差均小于5%,说明计算方法可行,如表2所示。

CFD方法的难点为电机结构形式多样化,零部件众多,几何处理、网格划分难度大,前处理耗时长。由于计算规模大,流场复杂对求解器要求高,并且计算涉及多场耦合。随着仿真技术的不断发展,采用CFD计算电机内部流场和温度场的方法逐渐被越来越多的电机设计者采用和推广。

表2 定子绕组温升计算值与实测值对比

4 结 语

本文主要介绍了3种电机热分析方法,根据电机类型选择合适的计算方法可节省设计时间,并且提高热设计的准确性,使设计方案先进合理,针对3种计算方法的难点和适用的电机类型总结如下:

1)类比法的关键点是计算电机的热负荷AJ,计算方法适用于通风方式、散热条件不变时,对温升裕度比较大的电机,例如结构相同,冷却条件相同,功率不同的电机。

2)等效热路法的关键点是搭建热路模型,建立热平衡方程组,计算热阻并进行求解,此方法计算速度快,节省设计时间,方法的准确性依赖热参数和热交换系数的准确性,适用于封闭式电机等风路结构简单的中小型电机。

3)CFD数值解法的关键点是计算域的选取,网格剖分,边界条件建立等,对计算机的硬件要求较高,计算周期长,具有强大的后处理功能,广泛适用于各种电机类型。

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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

郑国丽(1984-),女,硕士研究生,工程师,从事工业特种电机传热与流动数值模拟研究。