感应电机定子温度场的数值计算.docx

1、感应电机定子温度场的数值计算第卷第期年月电机与控制学报感应电机定子温度场的数值计算靳廷船，李伟力，李守法（天津阿尔斯通水电设备有限公司，天津；哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨）摘要：针对中小型感应电机结构复杂热模型难以建立的问题，以一台小型感应电机为例，采用有限元方法，建立了电机的二维温度场数值计算模型。给出了定子二维温度场计算的泛函以及相关热性能参数的计算方法；计算了不同负载运行时样机定子的稳态温度场。计算结果与实测值的比较，验证了所采用计算模型及方法的合理性。该电机温度场计算模型可以应用到其他同类电机定子温度场的计算与分析。在该温度场计算模型的基础上，分析比较了机壳散热翅高度

2、的变化对电机定子温度场的影响，研究了气隙温度对定子温度场的影响。关键词：感应电机；数值计算；有限元；温度场中图分类号：文献标识码：文章编号：（）一一，（，；，）：，（）（）：，：；引言拿蓑惹裂毳銎笛鬣嚣蒜蒺慧奏篙中小型感应电机的各项技术指标中，电机的温题。传统的温度计算方法主要是热路法，它是用收稿日期：；修订日期：一一作者简介：靳廷船（一），男，硕士，主要从事电机电磁场理论和电机温度场理论的研究；李伟力（一），男，博士、教授、博士生导师，从事特种电机的研制、理论分析以及大型电机综合物理场的研究工作；李守法（一），男，硕士，主要从事电机故障诊断和电机温度场计算与分析。万方数据第期感应电机定子温度

3、场的数值计算平均温升来衡量电机的发热情况，因此不能确定各部分的温度分布情况，仅是一个非常粗糙的解。卜和在年首次将有限元法用在计算大型汽轮发电机定子铁心的稳态温度场的分析中心，此后电机温度场的数值计算方法主要集中于大中型感应电机口。、特种电机”和大型同步发电机上一，由于中小型电机热模型结构复杂、绕组难以处理和对流换热系数不易确定等因素，数值计算方法很少采用。本文利用二维有限元方法，在相应的假设条件及等效条件下，计算了小型感应电机不同负载情况下定子的稳态温度场，分析了气隙温度和机壳表面散热翅的变化对定子温度分布的影响，得出一些有益的结论。定子二维温度场的数值计算基本方程普通系列中小型感应电机普遍采

4、用全封闭自扇冷结构，电机内部无轴向通风冷却系统，各部分产生的热量主要通过定子铁心由机壳传递给周围的空气，且转子旋转时电机内部空气随转子运动，热传递过程复杂。为简化分析，假设：）电机铁心沿轴向的温度梯度为零；）机座的散热效果用散热翅散热近似体现；）接线盒部位定子铁心外圆与静止空气接触部分为绝热面。考虑实际安装尺寸，机壳和定子铁心之问加一层装配间隙，可用表示为（）一（）式中为定子铁心外径。本文所采用的样机型号为：一，额定功率为，在上述条件下，可以取轴向的中心截面作为温度场的求解域，如图所示。图中：、，为求解域的边界。由于接线盒的存在，使接线盒区域风速基本为零，定子硅钢片可视为裸露在静止的空气中。根

5、据能量守恒原理和热传递的基本定律，求解域内二维温度场方程为（）导三（）式中：为材料的导热系数（）；为各点的温度（）；，为热源密度（）；为材料的密度（）；为材料的比热（）；丁为时间（）。本文计算电机的稳态温度场，温度不随时间变叮化，所以。在直角坐标系中式（）可以表示为图求解域。粤，磐：（）石式中，；、，分别为材料在戈、方向的导热系数，本文。，。式（）为热传导方程，它是用微分方程的形式来表达各物理量在相邻空间的数值之间关系。此方程必须在给出空间的边界条件时，才有定解，常见的边界条件表达式可以分为三类：第一类边界条件是已知任何时刻物体边界的温度，即：。，兀（）式中，为边界线，为给定的温度值；第二类边

6、界是已知边界上的热流密度，即嚣卜（）式中：为边界，。为通过边界的热流密度（），对于绝热边界条件，可令。，凡为边界上的法向；第三类边界条件为边界周围流体的温度乃和散热系数已知，即：一兰嫂（一）（），式中，为边界，理为求解域边界的散热系数（），为周围介质的温度。在电机求解域用到第二类和第三类边界条件，综合式（）、（）、（），可得求解域内二维稳态温度场的边值问题为击（。面）喜（，等）一乳。而一（）（）由变分原理可知，方程（）可写成如下的等价变分方程万方数据电机与控制学报第卷们）瓤【，（警）（等）】一上功棚扣上（一）丁瓦（）募二；。蔓蔓曼一曼厂巧：略磅乃马耐呵后一。“咖（；：）空（碍弓）警尼。（：）警

7、中（。）抽。西（。）痧（。）警。伽弓。丁，功。彳丁其中：多去；。为三角形单元的面积；了，一了呵，一乃。省，戈；一菇，勺一戈，巧一戈”，菇，瓮，。（筏，）、（菇。，。）、（石，乃）为三角形单元各顶点的坐标。当泛函，达到极值，即时，由上述推导和单元分析知：坼（）式中：为求解域内全部节点温度所形成的温度列阵；坼为总体系数矩阵；为总体右端列矢量。再将边界条件代入上式修改，最后求解修改后的方程组，即可得到各个节点的温度值。热性能参数分析一般中小型感应电机的定子绕组都采用圆形散线，线径细且各根导线在槽内排列不规则，实体建模极其困难。为简化分析，可将槽内的铜线（不包括漆膜）等效地看作整个铜条；浸渍漆、槽绝缘

8、和铜线的漆膜近似看作绝缘层，等效之后的铜条位于槽的中心，四周与槽壁平行，浸渍漆和槽绝缘均匀的分布在铜条周围。根据文，各种绝缘材料的等效导热系数为，“譬，（）式中：。为等效导热系数；盈（，）为各导热体厚度；为各导热体的平均导热系数。气隙中和机壳上的对流换热系数的确定可参阅文。电机运行时，各部分产生的电磁损耗和机械损耗直接导致了电机温度的升高，这些损耗主要有铁心损耗、绕组铜耗、机械损耗和杂散损耗等，参数可由相关分析和试验方法得到。温度场计算时分别将电机各部分热密施加到电机的有限元求解模型中，作为温度场计算时的热源。计算结果及分析以：一电机为例，求解时在不同的部位施加相应的热密，机壳表面和定子内圆赋

9、第三类边界条件，接线盒对应的定子区域施加第二类（。）边界条件。其中定子内圆气隙温度可用热敏电阻测得：在经过特殊处理的槽楔上放置体积很小的热敏电阻，不与槽楔接触，使其仅与定子内侧的空气接触，可测量出定子内圆气隙的温度，作为添加第三类边界条件时的环境温度。测量电机内部温度的热敏电阻放置点如图所示。在定靠近槽口部位，在槽楔和绝缘层中间，紧靠槽绝缘，、均位于铁心的轴向中部。图测温点分布不同负载情况下定子温度场的计算额定负载下，电机的稳态温度分布如图所示（环境温度）。额定负载下，电机定子的温度分布如图所示。其中和表示温度分布的最高点和最低点。万方数据第期感应电机定子温度场的数值计算 图额定负载时定子二维

10、温度分布 图额定负载时定子二维温度分布从上两图可以看出：接线盒区域的绕组均比其他的部分偏高，与实际测量的结果一致。其他几种负载情况下电机定子的温度分布趋势与图和图类似。定子槽内温度的分布趋势如图所示，其中温度最高的部分为等效铜条，整个区域几乎具有相同的温度，这是因为铜的导热系数较大，而且其本身也是热源；沿两侧绝缘层温度有明显的下降。不同负载情况下，点与点的计算值与测量值之间的的关系如表所示。表不同负载情况下定子的温度场之间的误差较小，满足工程计算精确度。采用有限元法计算中小型电机的定子温度场具有较高的准确性。气隙温度对电机定子温度的影响电机运行时，定转子的各种损耗共同作用使气隙中的温度升高，因

11、此定子温度场的准确分析与定子内圆空气温度的确定有很大的关系，不同负载下定子最高温度与定子内圆气隙温度的关系如图所示。、越赠删最高值最低值定子内圆气隙温度，图空载时定子最高温度与定子内圆气隙温度的关系、毯赠删蚤离宿，一一，一一一一一目“”“ 。，图槽窒温竺布。警茎訾翥釜磊翥墨熹嚣窆鋈篝麓嚣茎妻豫弛豳倒加舶村嘲盯花：苫税爵磊爱羞圣孚二蓑磊基泛苁。图苫。可以从表中可看出，点和点的计算值和测量值看出：随着定子内表面气隙温度的增大，电机定子的万方数据电机与控制学报第卷、型赠删最锃倡一一一、厂、一，一一，一一最或但定子内圆气隙温度图负载时定子最高温度与定子内圆气隙温度的关系、魁赠怫趔最高值一一。最低值一一

12、一一一定子内圆气隙温度图额定负载定子最高温度与定子内圆气隙温度的关系最高温度和最低温度在数值上都有升高，最高温的升幅略大于最低温的升幅；当不同负载率下气隙温度都升高时，空载、额定负载、额定负载和额定负载下定子区域最高温度分别上升了、和，定子温度随气隙温度呈线性变化。气隙的温度对定子温度场有显著的影响，初始条件下定子内圆气隙温度的准确分析是精确求解定子温度的关键因素之一。散热翅高度对定子温度的影响在全封闭式电机中，机座上设有纵向的冷却翅，借助于端部风扇的旋转，使具有冷却作用的空气沿散热翅流动，逐步减速扩散，冷却机座表面，降低电机内部的温度。热流的大小与机座散热表面的面积成比例，散热翅的高度对定子

13、温度的影响如图所示。当散热翅高度变化时，机壳上的对流换热系数也随之变化。从求解的结果知，改变散热翅的高度并没有改变电机内温度的分布趋势，即最高温度点和最低温度点的位置不变，只是随着散热翅高度的变化，电机的温度发生了一定的变化。从图可以看出：各种负载率下，在相应的定子内圆气隙内温度不变的情况下，当散热翅的高度变低时，定子各点温度变大，各部分温度呈上升的趋势，与散、越赠删、越赠删最高值、一、。最低值、无散热翅，翅高翅高全翅高倍翅高倍翅高散热翅高度图空载时机座散热翅高度对定子温度的影响、最高值、。，最低值、，、！无散热翅翅高翅高全翅高倍翅高倍翅高散热翅高度图额定负载时机座散热翅高度对定子温度的影响芝

14、嚣渔、，最高值一“、“、最低值、。“、。，一”，无散热翅，翅高翅高全翅高倍翅高倍翅高散热翅高度图额定负载时机座散热翅高度对定子温度的影响芝赵鲣。、卜、最高值“、。、。、，最低值、，、。、一、弘娩勰拍抖稻钳舵弛拍亚如万方数据第期 感应电机定子温度场的数值计算 参考文献： 热翅高度呈线性关系；空载时，在气隙温度不变的情 况下，在无散热翅时定子最高温度比全翅高时定子 最高温度升高了，升幅为；定子最高 杨国强封闭式小型感应电机的等值热流图和温升计算方法 中小型电机，（）： 温度在两倍散热翅高时比全翅高时降低了， 降幅为；额定负载时，对应的升幅和降 幅分别为和；额定负载时，对应 的升幅和降幅分别为和；额

15、定负载 时，对应的升幅和降幅分别为和。从 以上分析可知：散热翅的高度对定子温度场有较大 的影响，与标准散热翅高度相比，当散热翅高度降低 时，定子温度上升明显，散热翅高度升高时，定子温 度下降，下降的幅度有限。合理的设计电机散热翅 的高度，并从外观方面综合考虑，选择合适的散热翅 高度，对电机的散热性能有一定的改善作用，从而提 高电机的运行性能。 ， ： ： ： ： ， 一，（）： 李伟力，宋凯，付敏，等用三维有限元法计算大中型感应电动 机定子三维温度场黑龙江大学自然科学学报， （）： 李伟力，付敏，周封，等基于流体相似理论和三维有限元法计 算大中型感应电动机的定子三维温度场中国电机工程学 报，（

16、）：， 黄东洙，沈稼丰，侯云鹏高压防暴电机定子三维温度场的计 算与分析防爆电机，（）： 栾茹，傅德平，唐龙尧新型浸润式蒸发冷却电机定子三维温 结论 通过对一台小型感应电机不同负载时定子稳态 温度场的计算，以及气隙温度和散热翅高度对定子 温度的影响的分析，得出如下结论： ）在求解过程中做了适当的假设，可以把电机 定子复杂的三维温度场问题简化为二维问题求解， 减小了工作量，同时采用二维有限元数值计算方法 计算电机绕组的温升，具有较高的计算精确度； ）随着定子内圆气隙温度的升高，定子各部分 温度呈线性上升趋势； ）定子温度与散热翅高度是线性变化关系，散 热翅的高度对定子温度有较大的影响。 度场的研究中国电机工程学报，（）： 李伟力，侯云鹏，周封，等大型水轮发电机定子股线导热的数 值分析中国电机工程学报，（）： 黄国治，傅丰礼系列三相感应电动机技术手册北 京：机械工业出版社， 鲍里先科， 丹科电机中的空气动力学与热传递 魏书慈，邱建甫译北京：机械工业出版社， ， ， ，（）： 龚晓峰，刘长红，饶方权，等特种感应电机转子温度场的计 算大电机技术，（）：一 万方数据