船舶驅(qū)動(dòng)用異步電機(jī)三維溫度場研究

丁樹業(yè)++關(guān)天宇++崔廣慧

摘要：為研究船舶驅(qū)動(dòng)用異步電機(jī)傳熱性能及溫升特性，以一臺(tái)Y2-250M-4型、55 kW異步電機(jī)為例，采用有限體積元法對(duì)其三維穩(wěn)態(tài)溫度場求解計(jì)算，分析了電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)主要部位的溫升特性，同時(shí)，根據(jù)其船舶驅(qū)動(dòng)的用途特點(diǎn)，實(shí)際運(yùn)行時(shí)負(fù)載多呈變侈，因此對(duì)電機(jī)不同負(fù)載工況的溫升進(jìn)行求解并對(duì)比分析，通過搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果相對(duì)比驗(yàn)證.結(jié)果表明：無論何種工況，電機(jī)的最高溫升均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子導(dǎo)條處；隨著負(fù)載的增大，電機(jī)各主要部位的最高溫升呈增加趨勢，并且其增幅逐漸趨于顯著.該研究為電機(jī)設(shè)計(jì)及性能優(yōu)化、故障預(yù)測提供一定參考.

關(guān)鍵詞：異步電機(jī)；三維溫度場；溫升；不同負(fù)載工況

DOI：10.15938/j.jhust.2015.05.001

中圖分類號(hào)：TM343

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-2683（2015）05-0001-07

0 引 言

異步電機(jī)以其成本低、結(jié)構(gòu)簡單可靠及維護(hù)費(fèi)用少等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活中，但其實(shí)際運(yùn)行過程中產(chǎn)生的損耗不僅造成電能損失，還導(dǎo)致電機(jī)發(fā)熱，進(jìn)而影響電機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和使用壽命.因此，對(duì)溫升的研究顯得尤為重要，考慮到船舶驅(qū)動(dòng)用電機(jī)的工作環(huán)境及要求的特殊性，其實(shí)際運(yùn)行時(shí)不僅長期工作在額定負(fù)載工況，還需應(yīng)對(duì)輕載、重載以及間歇性啟停等情況，因此單一負(fù)載工況的溫度場分析已滿足不了要求，對(duì)多工況負(fù)載條件的研究與特性分析具有一定的理論與實(shí)際工程價(jià)值，

目前，國內(nèi)外學(xué)者已采用有限元法（FEM），有限體積元法（FVEM）對(duì)電機(jī)二維溫度場與三維溫度場及一些關(guān)鍵因素對(duì)溫度場的影響進(jìn)行了研究，對(duì)電機(jī)流熱耦合計(jì)算與大型電機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)部位如磁極、定子、轉(zhuǎn)子及繞組的溫度場，氣隙及通風(fēng)道的流體場進(jìn)行了數(shù)值分析研究.綜上所述，當(dāng)前的電機(jī)溫度場研究主要集中在大型電機(jī)方面，中小型異步電機(jī)的流體場與溫度場耦合計(jì)算，特別是考慮不同負(fù)載工況下電機(jī)溫升分布特性的研究較少報(bào)道.

本文以一臺(tái)55kW船舶驅(qū)動(dòng)用異步電機(jī)為例，采用有限體積元法對(duì)基于流一熱協(xié)同機(jī)理建立的模型進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過對(duì)電機(jī)三維溫度場的研究，重點(diǎn)分析了額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)電機(jī)主要部位的溫升分布特性，考慮到電機(jī)作為船舶驅(qū)動(dòng)的用途，選取空載、半載、額定負(fù)載及1.1倍額定負(fù)載4種工況下的電機(jī)溫升分布進(jìn)行對(duì)比分析，最后通過搭建實(shí)驗(yàn)測試平臺(tái)，將計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)比分析，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果及求解方法的正確性.

1 電機(jī)參數(shù)

本文以一臺(tái)Y2-250M-4型、55kW船舶驅(qū)動(dòng)用異步電機(jī)為分析對(duì)象，基于流一熱協(xié)同機(jī)理對(duì)電機(jī)內(nèi)溫度場及流體場進(jìn)行耦合數(shù)值計(jì)算，電機(jī)基本參數(shù)如表1所示.

基于有限元法對(duì)額定工況下電機(jī)內(nèi)電磁場進(jìn)行仿真計(jì)算，得到其損耗分布如表2所示.

2 模型確定及求解條件

2.1 數(shù)學(xué)模型

對(duì)驅(qū)動(dòng)用異步電機(jī)內(nèi)三維穩(wěn)態(tài)溫度場及流體場進(jìn)行數(shù)值研究，由傳熱學(xué)基本原理可知，為實(shí)現(xiàn)方程簡化不考慮時(shí)間項(xiàng).并且采用三維穩(wěn)態(tài)含熱源與各向異性介質(zhì)的導(dǎo)熱控制方程，在直角坐標(biāo)系下，三維導(dǎo)熱方程表示如下：式中：t為固體待求溫度（K）；K_x、k_y、k_z分別為材料沿x、y及z方向的導(dǎo)熱系數(shù)（W/（m·K））；q為求解域內(nèi)各熱源體密度之和（W/m³）；a為散熱表面的散熱系數(shù)（W/（㎡·K》；T_f為散熱面周圍流體的溫度（K）.

同時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)理論，電機(jī)內(nèi)流體的流動(dòng)與傳熱滿足質(zhì)量、動(dòng)量以及能量守恒定則，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程模型對(duì)流體進(jìn)行描述.當(dāng)流體為不可壓縮且處于穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)時(shí)，其通用控制方程為：式中：φ、V為通用變量；ρ為流體密度；Γ為擴(kuò)展系數(shù)；S為源項(xiàng).

2.2 基本假設(shè)

根據(jù)驅(qū)動(dòng)用異步電機(jī)結(jié)構(gòu)及三維溫度場求解域特點(diǎn)，為實(shí)現(xiàn)合理簡化求解，做如下假設(shè)：

1）異步電機(jī)內(nèi)空氣的雷諾數(shù)很大（R_e>2300），故采用湍流模型對(duì)其流場進(jìn)行求解；

2）異步電機(jī)流體場中，流體流速遠(yuǎn)小于聲速，即馬赫數(shù)（Ma數(shù)）很小，故視為不可壓縮流體處理：

3）認(rèn)為渦流效應(yīng)對(duì)每根繞組的影響相同，對(duì)端部繞組采用平直化處理；

4）只考慮電機(jī)內(nèi)流體流速的穩(wěn)定狀態(tài)，控制方程不含有時(shí)間項(xiàng)；

5）異步電機(jī)內(nèi)各處浸漆均勻良好；將定子槽內(nèi)上下層全部銅線分別等效為一個(gè)銅質(zhì)導(dǎo)熱體；槽內(nèi)各處絕緣等效為一個(gè)絕緣實(shí)體.銅質(zhì)導(dǎo)熱體位于槽中心處，周圍與槽壁平行，等效后的絕緣均勻分布在導(dǎo)熱體周圍.

2.3 通風(fēng)結(jié)構(gòu)

本電機(jī)采用全封閉自扇冷式冷卻結(jié)構(gòu)，電機(jī)端部采用與轉(zhuǎn)子同軸驅(qū)動(dòng)的離心式風(fēng)扇以提供一定的冷卻風(fēng)量，從而對(duì)散熱翅進(jìn)行對(duì)流換熱；另外電機(jī)內(nèi)部轉(zhuǎn)子兩側(cè)端環(huán)鑄出一定結(jié)構(gòu)尺寸的自勵(lì)性風(fēng)扇作用元件，攪動(dòng)電機(jī)端部氣腔內(nèi)空氣，促進(jìn)電機(jī)內(nèi)冷卻介質(zhì)將定轉(zhuǎn)子端部熱量傳遞出去.

2.4 物理模型

由以上基本假設(shè)及通風(fēng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以建立電機(jī)內(nèi)流體以及溫度直接耦合求解的電機(jī)物理模型，根據(jù)電機(jī)外風(fēng)路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及電機(jī)結(jié)構(gòu)件的導(dǎo)熱性能，取電機(jī)的整個(gè)軸向長度半個(gè)圓周方向作為電機(jī)耦合場的求解域.圖1為電機(jī)求解域物理模型，圖中冷卻介質(zhì)空氣的人口為電機(jī)端部離心式風(fēng)扇處，出口為包裹電機(jī)的外部空氣域.

圖2為電機(jī)網(wǎng)格剖分示意圖，根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，求解域內(nèi)不同區(qū)域采用不同的網(wǎng)格類型分別進(jìn)行剖分，即混合網(wǎng)格類型，其中包括六面體八節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格、楔形網(wǎng)格及棱錐網(wǎng)格.這種剖分方式具有高密度、高光滑性、低歪斜性等特點(diǎn)，能夠確保臨近單元的體積差很小，以準(zhǔn)確的處理邊界條件，提高計(jì)算精度.

2.5 邊界條件

結(jié)合電機(jī)求解域設(shè)定及結(jié)構(gòu)尺寸，邊界條件為：