高壓方箱電機內部三維溫度場計算與分析

張勝男，王春瑞，于京平

(佳木斯電機股份有限公司，黑龍江佳木斯154002)

0 引言

空冷卻方式被旋轉電機普遍采用，即:通過風扇作為激勵源強迫空氣流動來冷卻電機。電機的通風效果影響著電機的溫升、效率、運行狀態等諸多方面，尤其隨著電機容量的不斷加大這種影響會越來越大。如果電機內部溫升過高將會導致絕緣出現分層、脫殼、老化等現象，從而使絕緣的介電性能下降，進而引發電機內部的各種放電、短路故障，增加了電機發生故障的概率。所以如何使電機產生的熱量能被有效控制，在電機的設計中非常重要，通過對電機通風散熱系統的正確分析，可以實現對電機溫升的控制，確保電機的可靠性，對于材料利用率的提高、成本的降低也都起著非常重要的作用［2］。

本文旨在通過對電機內部溫度場的計算分析，進而掌握電機在運行時溫度分布情況，從而為電機風路的優化提供必要參考依據。

1 原理和方法［3］

1.1 傳熱的基本定律

熱量總是從高溫向低溫方向傳導。至于熱流密度，即單位時間內通過單位等溫面的熱量，則與各點在等溫面的法線方向上的空間溫度變化率或即各點的溫度梯度成正比

式中，q—熱流密度;λ—比例常數，即熱導率。

1.2 熱傳導方程

計算熱傳導問題是較為復雜的問題，例如計算繞組導體或鐵心沿軸向的溫度分布時，則不能采用近似的“路”的概念，而仍需要場方程，即需要建立溫度場與熱源之間的關系式。這種關系式成為熱傳導方程，它是建立在熱傳導定律和能量守恒原理的基礎上的。

設想從熱源溫度場的介質中分離出一個體積元dv，則根據能量守恒原理:在一定時間內，這個體積元內所產生的熱量Φ1應等于同一時間內從這個體積元表面傳導出去的熱量Φ2與留在體積內的熱量Φ3之和，即

假定介質在單位時間內，單位體積中所產生的熱量為p，p 可以是空間及時間的函數，則在dt時間內，介質中所產生的熱量為

在同一時間內，被介質所吸收的熱量為

式中，c—比熱容。

在同一時間內，從介質的全表面傳導出去的熱量為(假定各向熱導率相等)

式中應用了奧式定理，又因為熱量從高溫流向低溫，在此情況下gradθ 為負值，為使從介質的全表面傳導出去的熱量為正值，故在等式右邊加一負號。

式(9)為熱傳導方程，它用微分方程的形式來表達的各物理量在相鄰空間和相鄰時間的數值間的關系。

1.3 對流和輻射散熱

一般情況下，熱量從發熱體表面散發到周圍介質中區主要通過兩個方式:一是輻射;二是借助于空氣或者其他冷卻介質的對流。在電機中，通常后者占主導地位。而計算由對流作用帶走的熱量時，為了方便，都采用牛頓散熱定律

式中，q—熱流強度(w/m2);α—為散熱系統(w/m2·℃);θ1、θ2—固體和流體的溫度。

2 計算以及分析

本文利用Ansys 對具有典型徑向通風代表結構的電機進行建模、網格劃分、計算求解和分析。

2.1 模型簡化

為了給模型的網格劃分提供一個簡便的平臺，需要根據以往建模和劃分網格的經驗對各個零部件進行合理的簡化，合理的簡化模型對有效劃分網格和縮短后處理的計算時間有很大幫助。整機簡化模型如圖1 和圖2 所示。

圖1 Solidworks 整機模型

圖2 Ansys 整機簡化模型

2.2 網格劃分

由于電機結構左右對稱，在給出邊界條件后為了減少計算量，本課題只對電機的左側部分進行了建模，應用Ansys/APDL 語言建立方箱電機的三維模型并進行網格劃分見圖3。

圖3 Ansys 簡化整機模型

2.3 實例計算以及分析

2.3.1 方箱電機基本參數，見表1。

表1 方箱電機基本參數

2.3.2 電機的導熱系數及生成率

通過方箱電機試驗結果單所給出的損耗計算電機各部分的熱生成率，即在單位時間內所產生的熱量，電機各部分的熱生成率和導熱系數見表2和表3。

表2 方箱電機損耗及熱生成率

表3 電機各部分導熱系數

2.2.4 三維溫度場的的計算

在電機的定轉子繞組及定子鐵心上施加損耗，并在機座外殼、機座通風道、氣隙等施加散熱系數等參數，計算電機的三維溫度場，計算結果如圖4-圖9 所示。

圖4 整機內側溫度場

圖5 機座側溫度場

圖6 定子沖片內側三維溫度場

圖7 定子沖片外側三維溫度場

圖8 定子繞組內側溫度場

圖9 定子繞組外側溫度場

2.2.5 結果分析

(1)從圖3-圖5 中可以看出，機座兩側板的溫度在59℃(設置環境溫度40℃)左右，根據以往電機型式試驗的數據，電機兩側板溫度在45℃～50℃(環境溫度25℃)。側板溫升在20k 左右，此值與實際比較符合。

(2)根據方箱電機試驗結果單，U1、U2、U3 埋在鐵心端部，V1、V2、V3 埋在鐵心中間部分，定子繞組的溫度如表4 所示。

表4 定子繞組試驗測量溫度

在Ansys 的仿真結果中，定子繞組的端部溫度為95℃，鐵心中間的溫度為101℃，與電機的實測溫度約有10℃的誤差，這是因為Ansys 仿真計算是基于理想的電機模型計算的，對電機的實際模型進行了相應的假設(如忽略了接觸熱阻等因素)。另外，電機的導熱系數與實際值有一定的誤差，計算散熱系數所采用的風速只是近似的估計，并沒有通過電機的流場分析，這些因素都很有可能導致上述溫度誤差的存在，但通過分析云圖可以看出電機整體溫度分布趨勢是正確的，網格劃分是合理的，結果能夠起到指導和參考的作用。

(3)從圖3-圖9 中可以看出，越靠近鐵心的中間部位，溫度越高。因電機為徑向通風，鐵心兩側端部裝有內風扇而且散熱空間較大，風從兩端進入鐵心時，對鐵心端部冷卻相對較好，容易散熱，而對于鐵心中部來說，由于其散熱空間有限，風阻大，通風情況相對鐵心兩側端部較差，導致中間溫度最高。因此，在實際的電機設計過程中，為了降低鐵心中間溫度，需在工藝允許的范圍內，盡可能的增加鐵心中部的通風道，同時減小通風道之間每段鐵心的長度，通過改進的定、轉子的鐵心通風道的分配和段數，經實際試驗溫升都有明顯下降，

3 結語

本文通過應用Ansys 對電機內部三維溫度場進行建模和仿真分析，可知定轉子靠近中間部分溫度較高，因此在工藝允許的情況下，通過增加鐵心中部的通風道，減小通風道之間每段鐵心的長度來改善定轉子鐵心的通風散熱，經過型式試驗證明，這種改進有效的改善了電機的通風，降低了電機的溫升，為合理優化內部結構提供了一定的理論基礎。

［1］ 魏永田.電機內的熱交換.北京:機械工業出版社，1998.

［2］ 胡俊輝，許承千.大中型異步電機通風的研究和計算.大型電機技術，1992.

［3］ 陳世坤.電機設計.北京:機械工業出版社，2000.