電機冷卻多物理場耦合計算及模板開發(fā)

蘇詩湖,鄭國麗,豐帆,周巍

(中車株洲電機有限公司，湖南株洲412000)

?

電機冷卻多物理場耦合計算及模板開發(fā)

蘇詩湖,鄭國麗,豐帆,周巍

(中車株洲電機有限公司，湖南株洲412000)

以電機溫升計算的重要性為出發(fā)點，介紹了電機冷卻設(shè)計的計算內(nèi)容和熱交換的分析方法，并對等效熱路法和CFD方法進行了比較；并以某發(fā)電機為例，介紹了電機電磁場和溫度場的耦合分析并進行了試驗驗證；概述了模板定制開發(fā)的作用。所提出的理論和分析方法對電機冷卻設(shè)計具有一定的參考價值。

電機冷卻；數(shù)值仿真；多物理場；模板開發(fā)

0 引言

電機溫升是電機設(shè)計過程中的關(guān)鍵項目之一，正確分析和計算電機各部件的溫升，掌握電機內(nèi)的溫度分布，不僅可以保證在設(shè)計階段及時優(yōu)化電機設(shè)計方案，并且可為電機的安全、高效運行奠定堅實基礎(chǔ)。本文介紹了電機內(nèi)熱交換的分析方法，并針對熱路法和CFD分析方法進行了對比分析。近年來計算機模擬分析已經(jīng)成為國內(nèi)外技術(shù)創(chuàng)新的重要手段，其中CFD分析方法已經(jīng)貫穿于電機產(chǎn)品研發(fā)的全過程，不僅應(yīng)用到產(chǎn)品設(shè)計流程的前端為產(chǎn)品設(shè)計提供強力支撐，同時也應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計的后期驗證，提升了產(chǎn)品的市場競爭力，為企業(yè)帶來了顯著的經(jīng)濟效益。

電機是一個集電氣、機械、動力學、傳熱等眾多學科于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，各學科之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響。在電機產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計階段，電機磁路計算、性能計算、通風散熱計算、結(jié)構(gòu)強度計算、轉(zhuǎn)子動力學分析等都有專門的仿真軟件進行分析計算，各學科獨立計算，忽略相互之間的影響因素可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳遞中出現(xiàn)誤差，或計算結(jié)果與實際情況出現(xiàn)偏差。因此電機多物理場的耦合計算逐漸被引入和推廣，如：電機電磁-通風散熱耦合分析，電機熱-結(jié)構(gòu)應(yīng)力變形分析，電機結(jié)構(gòu)振動-噪聲分析，電機氣動-噪聲分析等。本文著重介紹電機電磁與通風散熱的耦合分析，并舉例說明耦合計算過程及其結(jié)果驗證。除此之外，本文還對電磁與通風散熱耦合分析的模板開發(fā)進行詳細說明。多物理場耦合分析和模板開發(fā)對拓展各專業(yè)學科應(yīng)用的廣度和工程應(yīng)用的深度都有重要作用。

1 電機內(nèi)熱交換分析方法

電機運行時要產(chǎn)生各種損耗，這些損耗都轉(zhuǎn)變成熱能使電機各部分的溫度升高。對電機繞組而言，國家標準規(guī)定的溫升限值基本取決于其絕緣系統(tǒng)所允許的最高溫度和冷卻介質(zhì)的溫度。電機繞組絕緣系統(tǒng)所采用的材料，其機械、電氣、物理等性能隨溫度的升高逐漸變壞，當溫度升高到一定程度時，絕緣系統(tǒng)就失去絕緣能力導(dǎo)致電機燒損或燒毀，因此保證合理的電機溫升是電機設(shè)計過程中關(guān)鍵的一部分。隨著電機向大容量、小型化、低成本、高效能發(fā)展，改進電機冷卻系統(tǒng)，降低電機溫升變的尤為重要。

電機溫升計算主要包括幾個部分

(1)計算電機所需冷卻介質(zhì)總的體積流量

(2)計算冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流阻和風阻，為了保證循環(huán)風量，采用的風扇需提供足夠的壓頭，同時要保證風扇與冷卻系統(tǒng)的匹配性，避免運行時機械損耗過大導(dǎo)致電機效率降低；

(3)電機熱交換裝置(包括冷卻器、冷卻水道等)的設(shè)計；

(4)風量分配和傳熱計算，使電機各發(fā)熱部件具有合適的溫升。

目前電機最常用的兩種熱分析方法分別為等效熱路法和CFD分析方法。等效熱路法是利用傳熱學和電路理論的相似性把溫度場簡化為帶有集中參數(shù)的熱路來進行計算，把分布的真實熱源和熱阻用集中的熱源和熱阻代替，形成等效熱路，該方法計算量相對較小，但是只能近似估算熱阻的平均溫升。等效熱網(wǎng)絡(luò)法是把熱路法的參數(shù)和熱源進行局部分布參數(shù)化，應(yīng)用圖論原理，通過網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu)進行熱場分析的一種方法。

CFD分析方法[4,5]是將電機內(nèi)連續(xù)的物理量場，如速度場和壓力場，用一系列有限個離散點上的變量值的集合來代替，通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。CFD方法也可看做是在流動基本方程如質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程的控制下對流動的數(shù)值模擬。通過這種數(shù)值模擬，可以得到電機流場內(nèi)各個位置的基本物理量如速度、壓力、溫度等分布，并據(jù)此算出相關(guān)物理量從而進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

采用等效熱路法計算電機的溫升，必須知道電機各部件表面對流換熱系數(shù)，而影響換熱系數(shù)的因素很多，不容易精確計算，因此在實際設(shè)計電機時，換熱系數(shù)經(jīng)常按經(jīng)驗公式獲得，使計算結(jié)果存在較大誤差。此外對于通風系統(tǒng)復(fù)雜的電機，電機定轉(zhuǎn)子有多個通風道，既有內(nèi)外風扇又有冷卻器的情況，準確的分析等效熱路并計算電機內(nèi)熱傳遞具有很大的難度。基于計算流體動力學原理，對電機的流場、溫度場進行數(shù)值模擬相比于熱路法具有以下優(yōu)點：(1)流體與固體共軛換熱，無需計算散熱系數(shù)，減少了計算誤差；(2)冷卻介質(zhì)的流量分配，壓力分布、風道阻力以及流線、流速、矢量方向均可顯示和輸出，用于結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；(3)能夠獲得電機各部件的溫度分布情況和某一點的具體溫升，并據(jù)此降低最高溫度、改善溫度分布均勻性。

2 電機電磁場和通風散熱耦合分析

電磁場和溫度場的耦合，主要體現(xiàn)在電機溫度場計算中熱源的施加方式上。電機的熱源(損耗)主要來自于電機運轉(zhuǎn)過程中磁場的作用，一般情況下，熱源的損耗分布并不是完全均勻的，而是根據(jù)幾何位置的變化而變化，并且雜散損耗的具體分布位置很難給定，往往根據(jù)經(jīng)驗計算。為了能更好地模擬真實的損耗分布，將電磁的損耗計算結(jié)果直接施加在溫度場計算的熱源上，通過兩者的耦合來保證電機溫度場的計算盡可能地接近真實情況。本文以某風力發(fā)電機為例，介紹耦合方法，并將計算結(jié)果與試驗值進行對比分析，電機結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電機三維結(jié)構(gòu)圖

考慮電機的結(jié)構(gòu)特點和通風系統(tǒng)既不存在對稱性也不存在周期性，因此溫度場計算模型為電機整機的三維模型，而電機電磁場計算模型為二維模型，電磁場損耗分布如圖2所示。

圖2 電磁場損耗計算

盡管兩個模型幾何維度不同，但是電機發(fā)熱部件包括定轉(zhuǎn)子鐵心、導(dǎo)條以及繞組直段部分軸向結(jié)構(gòu)完全相同，可認為是二維模型拉伸而成，因此只需要把二維的熱源耦合數(shù)據(jù)沿軸向擴展到三維結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)耦合，而定子繞組端部和轉(zhuǎn)子端環(huán)的熱源值是均布的，計算時可直接在相應(yīng)的計算域內(nèi)施加熱流密度。耦合的基本思路分以下幾步：(1)導(dǎo)出溫度場計算模型中熱源的幾何坐標；(2) 在Maxwell電磁計算模型中導(dǎo)入上述坐標，插值計算出對應(yīng)坐標的損耗值；(3)將損耗值導(dǎo)回溫度場計算模型中，并通過自定義函數(shù)施加在對應(yīng)坐標上。經(jīng)計算通過耦合方法輸入的熱源值與試驗值相對誤差小于10%，在工程允許范圍內(nèi)，并且將溫度的計算結(jié)果與試驗值進行比對，對比結(jié)果見表1。

表1 仿真計算結(jié)果與實測值對比

結(jié)果表明，計算值與試驗值的相對誤差均在工程允許范圍內(nèi)，證明計算方法可行。通過耦合方法計算得到的電機溫度分布如圖3、圖4所示。

圖3Y-Zplane的溫度云圖

圖4X-Zplane的溫度云圖

3 模板開發(fā)應(yīng)用

電機通風散熱仿真分析模板開發(fā)是基于Fluent軟件原有功能，利用二次開發(fā)語言-scheme語言將特定分析過程的方法步驟、標準規(guī)范、經(jīng)驗和知識歸納封裝后定制開發(fā)的專業(yè)分析向?qū)Щぞ撸鐖D5所示。通過模板后臺的參數(shù)設(shè)定和操作提高了仿真分析的效率和能力，實現(xiàn)資源利用的最優(yōu)化，提高資源利用效率和計算效率。

圖5 模板向?qū)疽鈭D

電機通風散熱仿真模板是根據(jù)電機通風散熱仿真分析流程定制的向?qū)Щぞ摺Ｈ魧﹄姍C整機進行仿真計算，由于電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件多，電機整體的三維建模和網(wǎng)格剖分難度大，通常在前期處理過程中將電機分成很多的區(qū)域，將區(qū)域和邊界命名規(guī)范化，使系統(tǒng)自動識別各個區(qū)域和邊界，通過向?qū)У男问揭龑?dǎo)用戶快速完成模型的批量導(dǎo)入、交界面自動區(qū)分并且自動設(shè)置、材料的自定義施加、動域的選擇設(shè)置、對流壁面和傳導(dǎo)壁面的設(shè)置、均值熱源工況的設(shè)置、耦合熱源工況文件的生成及設(shè)置、求解和后處理以及生成仿真報告功能，實現(xiàn)高效的仿真分析。電機通風散熱仿真模板為仿真人員提供更為方便、具體的專用分析導(dǎo)航，可以更加符合用戶的需求，滿足特定行業(yè)的特定需要。

4 結(jié)語

(1)根據(jù)電機內(nèi)熱交換的分析方法對比可知，相比于熱路法，數(shù)值仿真方法能夠輸出電機內(nèi)流場的各個物理量，獲得電機各部件的溫度分布情況和某一點的具體溫升，通過分析顯示和輸出的計算結(jié)果可以對電機結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。

(2)電機電磁場和溫度場的耦合分析，能夠更好的模擬真實的損耗分布，減少計算結(jié)果誤差。通過計算值與試驗值的驗證，證明了計算方法的可行性。

(3)基于特定行業(yè)的仿真分析流程定制模板，可以滿足用戶的需求，并且提高了資源利用效率和計算效率，實現(xiàn)了資源利用的最優(yōu)化。

[1] 丁舜年. 大型電機的發(fā)熱與冷卻[J].北京: 科學出版社,1992.

[2] 魏永田, 孟大偉,溫嘉斌. 電機內(nèi)熱交換[M].北京:機械工業(yè)出版社, 1998.

[3] А·И·鮑里先科, В·Г·單科, А·И·亞科夫列夫. 電機中的空氣動力學與熱傳遞[M].魏書慈，邱建甫譯. 北京：機械工業(yè)出版社, 1985.

[4] 王福軍. 計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M].北京: 清華大學出版社, 2004.

[5] 陶文銓. 數(shù)值傳熱學[J].西安: 西安交通大學出版社, 2001.

Coupling Calculation and Template Development for Multi-Physical Field of Motor Cooling

SuShihu,ZhengGuoli,FengFan,andZhouWei

(CRRC Zhuzhou Electric Machine Co ., Ltd ., Zhuzhou 412000, China)

Starting from the importance of temperature-rise calculation of motor, this paper introduces the calculation content of cooling design and the analytic method of heat exchange, and compares equivalent thermal circuit method with CFD method. And then taking a generator as an example, this paper introduces the coupling analyses of electromagnetic field and temperament field of the generator and conducts experimental verification. Finally, this paper summarizes the function of custom-developed template. The above theory and analysis method have a certain reference value for cooling design of motor.

Motor cooling；numerical simulation；multi-physical field；template development

10.3969/J.ISSN.1008-7281.2016.06.07

TM301.4+

蘇詩湖 男 1983年生；畢業(yè)于武漢輕工業(yè)大學，華中科技大學電機與電器專業(yè)在讀碩士研究生，現(xiàn)從事高效節(jié)能電機研發(fā)工作.

2016-05-05