矿用防爆电机三维温度场研究

郑国丽， 黄鹏程

(南车株洲电机有限公司，湖南株洲 412001)

矿用防爆电机三维温度场研究

郑国丽， 黄鹏程

(南车株洲电机有限公司，湖南株洲 412001)

电机温升对电机的性能有重要影响，是电机设计的关键。基于流体动力学原理，对矿用防爆电机的热流耦合场进行数值计算，得到了电机内部流场特性、电机整体温度分布、电机各部件峰值温度及所在位置。通过方案比较，确定定、转子铁心长度;然后进行结构优化，采用电机内置风扇、定转子铁心增设通风孔两种方法增强电机内部冷却效果，并验证数值计算的可行性。所得结论为电机设计提供了一定的理论参考。

防爆电机;水冷;温度场;数值模拟

0 引言

随着市场需求的增加，竞争日益激烈，电机产品的品种、数量也在不断增加，电机的单机容量不断扩大，对电机技术水平的要求也越来越高。对于电机生产企业而言，只有提高设计开发能力、改善电机性能、降低设计成本，才能增强电机产品的竞争力。因此，国内外电机工作者不断开发和采用新技术进行电机设计。电机温升计算是电机设计的关键［1-3］，也是决定电机发展的主要因素，因此电机冷却设计也越来越受到电机设计者的重视。以往通常采用热路法计算电机的平均温升，用平均温升衡量电机的发热情况，无法得到电机整体温度分布、电机最高温升及所在位置。近年来，国内逐渐采用数值方法计算电机温升［4-8］，采用数值分析方法不仅可以了解电机整体温度分布，也提高了计算精度，缩短了设计周期，为获得最佳方案提供有力支持。

本文研究的矿用防爆电机受安装空间限制，结构紧凑，电机内部封闭，电机散热通过水套内冷却水的循环运行和电机外壳的自然对流换热来实现，电机的散热能力差。如果电机在运行过程中过热，会影响电机运行的可靠性和安全性，使电机烧毁甚至损坏。因此，计算电机温度场，提高电机散热能力以限制电机温升，是电机设计的主要问题之一。本文基于流体动力学原理，采用比较先进的数值模拟方法计算电机热流耦合场，计算得出水道入、出口压差和电机各部件的温度分布，并据此改变电机结构。对多种方案进行比较，使电机温升最终满足性能指标，为电机设计初期提供重要的理论参考。

1 三维几何模型

在进行温升计算以前，根据电磁计算初步确定电机的整体结构，计算出损耗分布，针对损耗相同，定、转子铁心长度不同提出两种方案。通过温升计算首先确定定、转子铁心长度，再改进电机内部通风系统，最终得到理想方案。

本文研究的防爆电机内部封闭，定子外壳设计螺旋水道，冷却水从入口进入，经螺旋水道冷却整个电机后流出。为减小由于模型简化造成的误差，本文根据初步设计方案建立了电机整体三维模型，如图1所示，电机内部未置风扇，定转子铁心未开设通风孔。考虑定子端部绕组几何形状不规则，对定子端部绕组进行合理简化，建模时不考虑端环、压圈等结构的影响。

图1 计算域三维模型

2 控制方程与求解条件

2.1 控制方程

考虑电机转子旋转，在多重参考坐标系下，建立流动与传热稳态控制方程，包括质量守恒方程及动量守恒方程式，相对速度矢量Vr与绝对速度矢量V的关系式，能量守恒方程式，反映湍流特性的控制方程采用标准k－ε两方程模型，见文献［9］:

式中:▽——散度，即▽(ρVr)=div(ρVr);

ρ——密度;

Ω——旋转角速度矢量;

r——转动坐标系中微元体的位置矢量;

ρ(2Ω×Vr+Ω×Ω×r)——科里奥里力;

P——作用于空气微元体上的静压力;

F——微元体上的体积力;

τ——因分子黏性作用而产生的作用于微元体表面的黏性应力;

T ——温度;

Γ——扩散系数，对于转子线圈，Γ=λ/cp;

ST——单位体积内热源产生的热量与定压比热cp的比值。

2.2 求解条件

采用数值法求解电机温度场，需要给定合理的物性参数和边界条件，本文根据用户的使用条件及求解问题的需要给定如下:

(1)给定各材料的物性参数，包括密度、比热容和导热系数。铜、绝缘、水套、转轴、端盖材料的导热系数 λ 分别为 387.6、0.26、25、44.2、52，单位W/(m·k)。硅钢片考虑了各项异性，径向导热系数为44.2 W/(m·k)，切向导热系数为44.2 W/(m·k)，轴向导热系数1.192 W/(m·k)。

(2)螺旋水道入口温度40℃，流量2.3 m3/h，湍流强度5%，当量直径20 mm。水道出口设为压力出口，压力为标准大气压。电机内部空气分成动静两个区域，转动区域转速为1 500 r/min，空气温度35℃。

(3)水套外壳、端盖两侧设对流边界，电机内部流体与壁面交界处均为内部耦合对流边界。水套外表面的换热系数根据自然对流换热的试验关联式(5)～式(7)进行计算［10］。

(4)假设电机各发热部件热源均布，定、转子表面损耗透入深度为1.5 mm。

3 结果分析

3.1 确定定转子铁心长度

根据电磁计算，初步提出两种方案。两种方案结构相似，不同的是方案二与方案一相比定转子铁心长度加长160 mm，定子每槽导体数减少2，定子槽高减少5 mm;转子导条端部单边伸出长增加10 mm，转子槽口宽减小1 mm，槽口高增加1.5 mm;螺旋水道相应加长，与定子铁心轴向相对位置不变。两种方案电机发热部件的热源强度如表1所示。

表1 两种方案电机发热部件热源强度 W/m3

对两种方案电机热流耦合场计算得出电机的整体温度分布、电机各部件峰值温度及所在位置、电机各部件峰值温度见表2。两种方案对比分析，方案二与方案一结构相似，热源分布位置相同，温度分布趋势一致，方案二铁心加长，单位体积热源强度降低，水道相应加长，换热面积增加使电机整体温度下降，电机最高温度位于转子铁心表面轴向中间位置，为186.3℃，转子铁心温度分布见图2，转子导条最高温度位置与转子铁心相近，最高温度为186.1℃。定子铁心最高温度位于齿部铁心两侧，定子内圆附近，温度分布如图3所示，定子铁心两侧受热空气吹拂，温度较高，铁心外圆靠近螺旋水道，冷却效果好、温升低。定子绝缘最高温度位于定子槽楔，因定转子表面杂散损耗导致温度升高，最高温度为125.5℃，定子绕组最高温度位于端部绕组，为122.6℃，电机各部件温升均在电机温升限度内。此外根据用户需求，螺旋水道入、出口压差需小于0.3 MPa，通过计算两方案水道入出口压差分别为0.103 Mpa和0.123 Mpa，均在允许范围内。方案二，水道加长，流动阻力增加，因此需要提供的压头相比方案一大，螺旋水道的温度分布如图4所示，冷却水在水道内沿程吸热带走电机热量，水温不断升高，最终从出口流出，如果提供的压头增加，冷却水量增加，冷却效果更好。通过两方案温度对比，定、转子铁心长度根据方案二确定。

表2 两种方案电机各部件峰值温度 ℃

3.2 多种方案比较

图5为方案二电机周向截面温度分布图，由图可知，虽然定子绕组和定子绝缘的温度在温升允许限度内，但是转子的温度较高，转子产生的热量主要来自铜耗和转子表面的杂散损耗，一部分热量从转子两端由机内循环空气直接带至机座，见图6轴伸端空气区截面速度矢量图，机内空气从端部导条流经定子端部绕组至机座后重新循环，由于结构限制，轴伸端水道长度短，空气与冷却水的换热量小，温升高，不利于转子冷却;另一部分从转子表面通过气隙传到定子铁心，再传给机座，热阻大也是导致转子温升高的主要因素。为了降低转子温升，本文在满足电磁性能和结构允许的前提下，在方案二基础上提出方案三，即在轴伸端增加离心风扇，转子铁心开设18个直径为20 mm的通风孔，定子铁心开设32个直径为12 mm的通风孔，使机内形成了循环的通风系统，转子热量传递给转子风道内的空气，空气温度升高后在风扇离心力作用下流进气隙和定子风道，由于定子风道靠近螺旋水道，热阻小，空气的一部分热量通过导热由冷却水带走，从而使空气温度降低，再从非轴伸端流进转子风道继续循环。对电机的三维热流耦合场进行计算。经计算得出:方案三与方案二相比，转子最高温度由186.3℃降到168.3℃，其他各部件温度也有所降低，效果明显。

图7为方案三电机周向截面温度分布，由图可知，虽然方案三采用的风路可有效降低转子温度，但是由于热空气不断吹拂轴伸端端盖，使端盖外壁面温度升高到90.4℃，导致轴伸端轴承温度升高，不利于安全运行，因此提出方案四，在轴伸端端盖内侧加绝缘板，定子铁心风孔数量增加一倍，图8为方案四未显示水套的几何模型。经计算定子风孔增加后，定子风道总流量从0.028 4 kg/s增加到 0.049 5 kg/s，端盖温度降低9.1℃。三种方案电机各部件峰值温度见表3，方案四与方案三比较，除定子铁心温度略有增加，其他部件温度均有所降低，因此选择方案四作为最终方案。

表3 三种方案电机各部件峰值温度 ℃

4 数值计算可行性验证

本文研究的防爆电机处在设计阶段，无法进行试验研究，不能将数值解与试验解进行比较，因此采用相同的方法对已生产运行的其他电机进行计算，将计算值与试验值进行对比，相对误差小于10%，证明数值方法可行。在设计初期，采用数值计算的方法模拟电机额定运行时，高速旋转状态下的温度场并进行方案比较，相对于样机试验能够展示电机的温度分布，具有更高的灵活性，从而缩短设计时间、降低设计成本。因此，数值方法对优化电机设计具有重要的促进作用。

5 结语

本文通过对防爆电机热流耦合场的计算，首先通过方案比较确定定、转子铁心长度，然后进行结构改进，获得理想方案，使电机各部件温升均在电机温升允许范围内，并得出以下结论:

(1)产生损耗相同的情况下，定子铁心长度加长，水道长度相应增加，可降低热源强度，增加换热面积，有利于电机冷却;

(2)根据给定流量计算出螺旋水道入、出口压差小于0.3 MPa，满足用户要求，并有一定余量，如果水道提供的压头增加，水道流量也会增加，电机冷却效果会更好;

(3)在保证电磁性能的前提下，定、转子铁心开设通风孔，电机内置离心风扇，形成内循环风路，有利于降低转子温升。端盖内侧安装绝缘板，可防止热空气直接吹拂端盖，导致轴承温度升高。

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Three Dimension Temperature Field Studies of Mine Explosion-Proof Motor

ZHENG Guoli，HUANG Pengcheng
(CSR Zhuzhou Electric Co.，Ltd.，Zhuzhou 412001，China)

It was the key of motor design because that the motor temperature rise has a significant effect on performance of the electric motors.Thermal-fluid coupled field of mine explosion-proof motor was numerically calculated based on computational fluid dynamics principles.Characteristic of flow field inside the motor，the overall temperature distribution of motor，peak temperature and peak temperature location of motor parts were obtained.Firstly，determine the length of the stator and rotor core by the comparison of proposals.Secondly，optimize the structure according to the temperature distribution，and the motor cooling effect was improved by the method of installing the fan inside the motor and adding vents to the core of stator and rotor.Finally，verify the feasibility of the numerical calculation.The conclusion would provide theoretical references for motor design.

explosion-proof motor;water cooled;temperature field;numerical simulation

TM 357

A

1673-6540(2012)07-0016-04

2011-10-27