（电机与电器专业论文）防爆型水冷电机发热、换热与温度场计算研究.pdf

哈尔滨理工大学t 学硕七学位论文 自= 目_ _ 葺_ ! = _ 黼鲁鲁g 燃自自删i i l l e 自! _ = = _ ! ! 目_ 2 目g 目= # ! = _ 篇目! g 自_ 兽_ 目目_ 一 c a l c u l a t i o na n dr e s e a r c ho nh e a t ，r e f r i g e r a t i o n a n dt e m p e r a t u r ef i e l di nw a t e r - c o o l e d e x p l o s i o n - - p r o o fm o t o r a b s t r a c t 髓ee x p l o s i o n - p r o o fm o t o r , u s e di nt h em a c h i n ef o re x c a v a t i n gt h i nc o a lb e d ， h a sat e c h n i c a ld e v e l o p i n gt r e n do fm o r ep o w e ra n dm o r ep o w e rd e n s i t y a l o n g w i t ht h ec o n t i n u o u si n c r e a s eo ft h ed e s i g nc a p a c i t yo fm o t o ru n i tv o l u m el o s s e s i nt h em o t o ri n c r e a s e 。w h i c hl c a dt ot h er i s eo ft e m p e r a t u r ei ne v e r yp a r to ft h e m o t o r s oi m p r o v i n gc o o l i n gs y s t e ma n dc o n f i n i n gt e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e b e c o m eo n ep r i m a r yp r o b l e mi nt h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yi nt h em a c h i n e f o re x c a v 鑫垃n gc o a l 。t h em o t o ru s e di nt h em a c h i n ef o re x c a v a t i n gc o a li su s u a l l y i n s t a l l e di nal i m i t e ds p a c ea n do p e r a t e di nb a dv e n t i l a t i o nc i r c u m s t a n c e ，s o r e a l i z i n gt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i n gi ne v e r yp a r to f t h em o t o rc a na v a i lt oo p t i m u m c o o l e rd e s i g n 。 i nt h i sp a p e r , a c c o r d i n gt oa na c t u a lm o t o ru s e di nt h em a c h i n ef o r e x c a v a t i n gc o a li nj i x ic o a lm i n e ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lf o rt h et e m p e r a t u r e f i e l do far a t i n gm o t o rw a se s t a b l i s h e d ，w h i l eg e o m e t r ya n dm a t e r i a lf o r mo ft h e m o d e li sb u i l d i n go nt h es a m p l em o t o ry b c m 15 0 4 b yt h em e t h o d so ff i n i t e e l e m e n t r e l a t i o n a le l e c t r o m a g n e t i cq u a n t i t i e sc a nb eo b t a i n e d t h er e s u l ti s c r e d i b l ea n de l e c t r o m a g n e t i cl o s s e so ft h em o t o rc a r lb ew o r k e do u tb ym a g n e t i c d e n s i t yw eg o t i nf a c t ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cl o s s e sa r ej u s tt h eh e a ts o u r c e s i nt h e t e m p e r a t u r ef i e l d b yu s i n gt h ef l u i ds o f t ，f l u i dv e l o c i t yf i e l di n 啦ea i fg a po f t h e m o t o rc a nb es i m u l a t e da n dt h ea i rg a po ft h em o t o rc a nb ed i v i d e di n t ot w op a r t s o n ei sl a m i n a rf l o wl a yw h o s eh e a te x c h a n g i n gi sm o s t l yt h e r m a lc o n d u c t i v i t y , t h eo t h e ri sm u s s yf l o wl a yw h o s eh e a te x c h a n g i n gi sm o s t l yf o r c ec o n v e c t i o n c o m p a r e dw i t hl a m i n a rf l o wl a y , t h e r m a lr e s i s t a n c ei nt h em u s s yf l o wl a yc a nh e i g n o r e d b vn l e m e t h o d so fe q u a l i t yo ft h e r m a lr e s i s t a n c e ，t h ea v e r a g e 1 i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 c o n d u c t i v i t yi nt h ea i rg a po fm o t o rc a l lb es w i t c h e d u p o nt h a tt h eb o u n d a r y c o n d i t i o no ft e m p e r a t u r ef i e l dc a l lb ec o n f i r m e da n d2 dt e m p e r a t u r ef i e l dc a nb e c a l c u l a t e da n da n a l y z e di nt h es t a t o r , r o t o ra n dw a t e rj a c k e to ft h em o t o r i tc a l l b ef o u n dt h a tt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo fs t a t o ri si nt h el o w e rl a y e ro ft h ec o i l n e a rt h ea i rg a p ，w h e r ew ec a ns e ta ne l e c t r i cc o u p l i n ga n dm o n i t o ri t sv a r i e t yo f t e m p e r a t u r et op r o t e c ts a f eo p e r a t i o no fm o t o r m o r e o v e r , t h et e m p e r a t u r ei nt h e s t a t o rc o i lc a nb er e d u c e de f f e c t i v e l yi ft h er a t eo fw a t e ri nt h ej a c k e ti n c r e a s e ， a n dw es h o u l ds e l e c tp r o p e rr a t et oo b t a i nt h eb e s tc o o l i n ge f f e c t k e y w o r d sw a t e r - c o o l e de x p l o s i o n p r o o fm o t o r ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，f l u i d v e l o c i t yf i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l d i - 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文防爆型水冷电机发热、换热 与温度场计算研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不 包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的人和集体， 均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名 咯嘲多 日期：切口g 年f ，月之e l 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 防爆型水冷电机发热、换热与温度场计算研究系本人在哈尔滨理工大 学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归 哈尔滨理工大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完 全了解哈尔滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有 关部门提交论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大 学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分 内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密d 。 ( 请在以上相应方框内打) 日期：和y 年妒月3 日 吼年严月乡日 哈尔滨理工大学- t 学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题的目的和研究意义 随着我国国民经济的增长，电力、冶金、化工、建材等主要用煤行业产品 产量增大，拉动了煤炭需求的增加；另一方面在国家有关鼓励政策作用下，煤 炭出口大幅度增长，与其相适应的采煤机的需求也大幅增加。 薄煤层采煤机电机( 截割电机和牵引电机) 的技术发展趋势是加大功率和 功率密度。随着新结构、新材料和计算机辅助设计手段的不断提高，高功率密 度电机的单机容量也不断增大。大功率的高功率密度电机正逐步成为国内外微 特电机行业发展的一种趋势，成为各公司保持竞争优势、占领市场的主力产品 之一。 但随着电机容量的不断提高，电机温升达到一定程度后，其机械、电气、 物理等性能将变坏，不仅降低了电机的效率、局部过热还会直接影响电机长期 安全运行的可靠性啦n 蚴。改善冷却系统，提高散热能力，限制电机的温升成为 高功率密度电机技术发展中的主要问题之一。 一些采煤机生产厂家不得不花大量外汇进口国外电机。如鸡西煤矿机械有 限公司为给新型采煤机配套，从英国摩利电机有限公司引进的a m w x 3 8 交流 3 相感应电机( 额定功率4 0 k w ：额定电压1 1 4 0 v ：额定电流2 6 a ；额定功率 因数0 8 5 ；额定转速1 4 5 9 r p m ；工作制s 1 ；电机整体外型尺寸 3 0 0 x 9 2 0 m m ) ，每台售价高达2 7 5 5 万元人民币，且供货时间和售后服务无法 得到保障。我国煤矿用电机专业生产厂抚顺煤矿电机厂，在与英国摩利电机 有限公司生产的a m w x 3 8 交流3 相感应电机相同功率密度下，只能提供短时 工作制的电机设计方案b 1 。 本课题通过对高性能防爆型水冷电机温度场的计算和研究，一方面为防爆 型高功率密度电机冷却系统的设计与制造提供数据参考，提高了电机生产企业 的设计、开发能力；另一方面改善其性能，降低其设计成本，替代进口、填补 国内空白，增强我国防爆型高功率密度电机产品的竞争力。课题的成果将会给 国内防爆型高功率密度电机行业带来可观的经济效益和社会效益。 哈尔滨理工大学工学硕+ 学位论文 1 2 电机温升的一般计算方法 电机是一种机电能量转换机构，在运行中内部进行着能量转换不可避免地 要产生损耗，例如机械损耗、铜耗、铁耗、励磁损耗、通风摩擦损耗及杂散损 耗等；最终绝大部分都要转变成热能，冷却介质将其中一部分热能带走，其余 的将引起电机各部分温度升高。电机过负荷运行、进相运行、不对称运行、冷 却系统故障、铁心故障、绕组故障、绝缘故障等等也会引起电机的局部过热， 使电机的温升增加心钉而且近年来，由于新材料、新工艺的使用和电机冷却技 术的发展，促进了电机单机容量的不断增大，经济技术指标( 包括热负荷) 普 遍提高，但同时使电机运行时产生的单位体积损耗增长，引起电机各部分温度 升高，这直接影响电机的寿命和运行可靠性。因此，准确的温升计算不仅是电 机制造厂家多年来寻求的目标，也是电机运行部门关注的主要问题之一。 温升计算的主要方法有：简化公式法、等效热路法和数值计算法。 简化公式法是电机制造厂设计时常用的一种方法。这种方法假定全部铁心 损耗及有效部分铜耗只通过定子( 或转子) 圆柱形冷却表面散出，而且电枢绕 组铜的有效部分和接触部分之间没有热交换。在此基础上，根据热交换的基本 定律，推导出电机温升的计算公式，计算公式非常简单，因此称为简化公式 法。这些假定虽然不尽合理，但是这种方法中所采用的散热系数是根据结构相 同或相似的电机温升试验结果确定的，因此计算结果比较接近实际抽n 黯。由于 只能估算整体铁心或绕组的平均温升，所以其计算结果比较粗糙而且计算精度 较差不够完善，将之应用于故障监测可行性较差。 等效热路法是根据传热学和电路理论构造热回路的一种方法。在工程实践 中，由于电机传热问题的复杂性，一般都习惯于把温度场简化为带有集中参数 的热路进行计算。热路图中的热源为绕组的铜损耗、铁心的铁损耗等，它们所 在的部件计算时都被认为是均质。损耗产生的热量通过各种相应的热阻，由热 源向冷却介质传递，形成等效热路图。等效热路法中有一些基本假设，通过这 些假设可以把成熟的电路理论用在等效热路中。这些假设是所分布的真实热源 和热阻，被少量的集中热源和等值热阻所代替，并假定后两者不取决于热流的 大小。采用等效热路法时，不考虑热源体( 铜和铁) 自身的温度分布，这种方 法只是一种近似的简化处理手段，因为无论铜还是铁它们本身温度远非均匀 的，只能计算铁心和绕组的平均温度或部分铁心和绕组的平均温度，无法全面 了解温度的分布情况及过热点的位置和数值。但是，由于公式简单，便于手 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 算，加之多年的经验，对总的结果来说基本上符合实际。 对于电机温升的计算，等效热路法是基于场路结合的思想，而有限差分 法、等效热网络法、有限元法则是关于温度场酶数值计算法。由于最近几十年 来电子计算机和计算技术的迅速发展，数值法在工程上得到广泛的应用”) 。 有限差分法就是利用刚格剖分将定解区域离教化为网络，然后用各离敖点 上的函数差商来近似地代替该点的偏微分，把求解区域内的偏微分方程和有关 的边界条件，化成适用于区域内部和边界上各个节点的差分方程组，即离散 化，然后用古典方法或电予计算机来求解联立的差分方程组。若再应用插值方 法，就可以从离散解得到定解问题在整个求解域内的近似值。此法的优点是简 单、明了，并能给如离散逼近的误差估计；缺点是对于复杂的边界条件和求解 域内存在介质系数间断时，需要进行单独处理。有限差分法主要适用予边界形 状规则的第一类边界，第二类齐次边界条件；静态场，时变场；线性场，非线 性场等。 等效热网络法是应用图论原理，通过网络的拓扑结构进行温度场分析的一 种方法。该法利用热力学定律及能量守恒定律，按计算对象的实际结构及其他 对称条件确定求解区域，对求解域进行剖分，做离散化处理。剖分单位形状及 形状可以任取，但般为便于计算网格剖分要整齐，并根据温差的大小决定某 一区域嬲格的疏密。网格划分线的交点叫做节点，运用局部集中参数观点，认 为热源( 损耗) 集中分布于节点，节点之间用热阻连接成枝，热流集中地由枝 通过，将节点温度作为求解变量。如果计算时变场则每个节点上再接有热容， 这样包括损耗、热流、热阻、热容和某些点上已知温升共同组成的等值热回路 就形成了；最后根据能量守恒和基尔霍夫热流定律列出热网络节点的温度方程 组，选定求解算法借助计算机软件进行求解撸。 热网络法物理概念简单直观，而且非常适用于结构复杂、材料多样和各向 导热不均匀的发热实体中，对薄层介质的处理更显方便，对计算机的硬件要求 也较低，因此普逶用于电机的设计计算和状态监测中鲫珏 糟。 有限元方法是近似求解数理边值问题的种数值技术，它是在变分原理的 基础建立起来的，虽然这一方法起源于结构分析，但是由于它新依据的理论 具有普遍性，目前不仅广泛地被应用于各种结果工程，而且作为一种分析方法 已被推广并成功地用来解决其他工程领域中的问题，例如热传导、渗流、流体 力学、空气动力学、港湾和湖泊的波动、土壤力学、枫械零件强度分析、润滑 问题、电磁场问题等等。 有限元法是将所考察的连续场分割为有限个单元，然后用比较简单的蘧数 哈尔滨理_ t 大学工学硕士学位论文 来表示每个单元的解，但它并不要求每个单元的试探解都满足边界条件，而是 在求得集合体的代数方程之后再引起边界条件，因为边界条件不进入单个有限 单元的方程，所以对于内部的和边界上的单元能够采用同样的函数，把边界条 件引入集合体的方程，这一过程比较简单，因为在变分法中自然边界条件隐含 地得到满足，只需考虑强迫边界条件。 有限元法在处理复杂的几何形状时比有限差分更为有利。对于具有比较复 杂边界曲线的求解域，虽然利用均匀有限差分网络能覆盖整个解域，但是在边 界处必须由一系列的水平线和垂直线来近似。而利用有限元法( 譬如采用最简 单的二维三角形单元) 就可以给出一个比较好的近似的解域，由一系列的折线 来近似边界曲线。因此有限元法比差分法对连续场的离散处理的灵活性和适应 性要强。这个方法不仅适应复杂的几何形状和边界条件，而且能成功地用于多 种介质和非均匀连续介质的问题，这是其他数值方法最难以处理的问题，但是 有限元法却很容易通过简单的办法来处理，即对不同的单元规定不同的性质。 当然，解的正确性和近似程度不仅与单元的大小、单元的数量有关，也与 所选择的场变量模型有关。实践证明利用有限元法分析工程问题，如果处理得 当，所求得的解精度较高。所以用有限元求解温度场可以准确描述整个求解域 内温度的分布，常常被用于电机的设计计算。 由于有限元法在温度场求解方面的优点，当前仍然是电机内温度场求解的 主要方法之一。 本文先以电机磁通密度计算得到电磁损耗，确定电机的热源分布并计算了 温度场，其中选用了有限元法进行计算和分析。 1 3 本论文的主要工作 本课题来源于哈尔滨理工大学电机c a d 课题研究组的攻关课题“防爆型高 功率密度水冷电动机的研制”。本课题旨在结合具体工程实际情况，借用有限 元法对电机温度场进行模拟，找出额定工作时温升最大的位置作为监控点，其 结果可以为电机热控制优化提供理论依据。 本文以一台采煤用高功率密度水冷电动机y b c m l 5 0 - 4 为例，采用有限元 法模拟了定、转子的二维温度场。先将电机圆周作为计算区域，以矢量磁位 彳，为求解变量，计算电机的二维电磁分布。参考其中所得磁通密度，可计算 电机的电磁损耗：基本铁耗和附加损耗( 含表面损耗和脉振损耗) ，代入温度 场作为热源。另外，电机的冷却系统对电机温度场边界条件的确定关系重大， 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 因此文章对样机的冷却结构展开了介绍。 其次，以电机气隙两侧圆周为计算区域，以气隙空气分子速度矢量作为求 解变量，运用有限元软件得到气隙空气的速度矢量场，以及紊流层和层流层的 大致分界线，用计算得到的层流平均宽度，可得到气隙空气近似的等效热阻和 等效热导率，作为温度场计算的边界条件之一。 最后，选取整机圆周截面为二维温度场的计算区域，模型的几何形状及其 材料性质按照鸡西煤矿实际采煤用电机选用，边界散热系数由经典传热学理论 得到，利用有限元法确定其温度场分布。采用有限元软件的后处理功能，给出 其温度场云图和热流量密度等物理量，指出了其在电机温度监测和电机冷却系 统设计中的应用价值；并讨论了水套内冷却水流速对冷却水热特性和电机温度 场的影响。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第2 章防爆型水冷电机电磁场计算及分析 电机热源的分布和大小取决于电机的损耗，而电机的基本铁耗和附加损耗 与电机的磁通密度有很大的关系，因此要想精确地计算电机各部分的热源必须 得到磁通密度的精确值。本章将会采用有限元法对样机的二维电磁场进行求 解。 2 1 电机二维电磁场计算 采用有限元法计算电机电磁场，一般包括以下步骤： 1 从所考察的电磁场边值问题出发，利用变分原理，把问题转化为等价的 变分问题，即能量积分的极值问题； 2 将求解区域剖分为一系列子区域，即区域离散； 3 选取分片光滑的插值函数去逼近整个求解区域内光滑的磁位函数彳，； 4 把磁位的插值函数带入能量积分，对变分问题进行离散化处理，得到以 n 个节点磁位为未知数的n 阶线性代数方程组； 5 结合边界条件，求解线性代数方程组，得到节点磁位的数值近似解，由 此计算出各个节点和单元的磁感应强度值； 6 对于电机电磁场问题，可以通过后处理得到所需要的各电磁参量( 如磁 通密度、储能、力、力矩、电容及电感等) n 叭。 2 1 1 二维电磁场数学模型 1 y b c m l 5 0 4 电机的结构如图2 1 示，为本文研究的采煤用防爆型水冷 属 i 露潜蝴 图2 1y b c m l 5 0 4 电机外观图 f i g 2 1o u t s i d ev i e wo f t h em o t o ry b c m l 5 0 - 4 哈尔滨理一大学- t 学硕士学位论文 电动机y b c m l 5 0 4 的外观图。该防爆型水冷电动机是根据囡内采煤机生产企 业的实际需求，为新型采煤机配套生产的专用防爆电机。 出于防爆目的及薄煤层高度的限制，电机于内部封闭，安装空闻严格受 限，无法内置散热风扇以致通风条件恶劣，但又有高功率、高功率密度、高效 率的需求，因此传统的电机冷却设计方案已经不麓满足设计要求；丽予电机定 子外壳设计了1 2 个冷却水套，水套中通有冷却水；冷却水从入水口引入水套， 依次循环于所有水套，冷却整个电机；如图2 - 2 电机y b c m l 5 0 d 的内部平面结 构图所汞。， 图2 - 2y b c m l 5 0 d 电机内部结构圈 f i g 。2 - 2i n 诧r n a ls t r u c t u r ei m a g e so f 龇m o t o ry b c m l 5 0 - 4 设计时如能使定子轭部电磁负荷高一些，而转子上电密却较低，就能降低 转子发热，充分剩用乡 箍在定子舛侧的冷却水套散热。掌握电机各部分的温度 场分布显然有利于冷却器的热优化设计。 2 电机有限元数学模型的建立麦克斯韦方程组是支配所有宏观电磁现象 的一组基本方程，这组方程既可写成微分形式，又可写成积分形式，我们只需 给出它们的微分形式，就可以推出用有限元方法处理电磁问题的微分方程1 。 另外，电机的电磁场分析一般采用位函数如，因为位函数比场量本身更容易 建立边界条件，计算也比较容易。 对于一般时变电磁场，麦克斯韦方程组可写为n 甜 啥尔滚理工大学下学硕 ：学位论文 v h 搿歹+ 望 国 v e ：一罢( 2 - 1 ) 西 v b = 0 v d = p 其中，h 为磁场强度矢量，a m ；，是由于导体中有电场的存在而弓l 起的电 流，称作位移电流密度为传导电流密度矢量，a d m 2 ；d 为电位移矢量( 或电 通量密度矢量) ，c m 2 ；e 为电场强度矢量，v i m ；b 为磁感应强度矢量( 或 磁通密度矢量) ，骱，m 2 ；p 为自由电荷体密度，c 觚3 ；詈是电位移矢量随 时闻变化而引起的电流密度，称作位移电流密度。另外还有媒介性能方程 | b = p h d = 6 e ( 2 2 ) i ，= y e 式中：、g 、，分别为媒质的磁导率、电容率、电导率，统称为媒质性能参 数，它们的单位分剐为h m 、f m 、和s m 。 本文分析电机电磁场只是要获取计算电磁损耗所嚣的硅钢片磁通密度，为 了求解方便可以简化计算，不需考虑电机的端部效应，认为磁场在轴向方向上 是均匀分布的，只对电机稳定运行厝菜一时刻的二维瞬态电磁场进行分析和计 算。 为了考虑防爆电机定子与转子的齿槽和轭部、气隙大小和铁磁材料对电机 电磁场的影晌，以下将选取整个电机圆周作为电磁场计算区域，以矢量磁位 彳，为求解变量，对本电机做下列假设n 引： 1 电机铁心轴向无限长； 2 电机气隙和电视截面结构浍中心线对称； 3 不考虑位移电流影响，电机电磁场视为非线性的瞬态二维涡流场； 4 忽略轴向因素，铁心里的硅钢片为各向同性材料； 5 定、转子导体和铁心中的集肤效应忽略不计； 6 。定、转子外缘的漏磁忽略不计。 基于以上假设，由麦克斯韦方程组知防爆型水冷电机额定运行时，其二维 瞬态涡流方程可表示为下列非线性方程和边界条伴 哈尔滚理工大学工学硕+ 学位论文 q ：昙巴警 + 昙陆等 _ + 舻誓 ， 【r l ：蜀铷 式中求解区域q 为电机整机圆周；为定子煞圆的边界条件；五为源毫流密 度，仅有z 轴分量，故可写成标量形式；以为动态向量磁位，其单位为： 眦，定义式为 b = v x a +(2-4) 通过网格剖分即离散化处理，可将上述二维电磁场的条件变分问题等效为 线性方程来求解。经过牛顿一拉菲森迭代法的几次迭代后，使解趋于收敛，最 后求得节点磁位值，再通过有限元震处理得到所需的场量。 2 王2 电磁场计算 1 防爆型水冷电机基本数据本模型y b c m l 5 0 - 4 是四极三相异步电机， 建模时输入的实体模型参数如表2 1 所示。 表2 1y b c m l 5 0 - 4 电机有关数据 韵l b l e 2 * 1r e l a t e dd a t ao f t h em o t o ry b c m l5 0 0 额定功率额定电压额定电流额定转速功率因数额定效率 4 0 k w1 1 4 0 v2 5 5 a 1 4 5 7 r p m 0 8 6 49 1 8 3 极对数额定频率并联支路数每槽线数定予线圈型式绕缀接法 25 0 h zl2 2 双层 y 2 定、转予槽尺寸参数电机中的定子槽为半朗口的双层绕组梨形槽，共 有3 6 个；转予槽为半闭阴的单层铜制笼型梯形槽，共有2 6 个。槽型结构如图 2 3 所示，其中主要尺寸列于表2 2 。 表2 - 2 定、转子槽基本数据 t i l b l e2 2b a s i cd a t ao fs l o t 震 趣，4 5 。6 m m9 1 m m1 6 m m3 0 00 8 m m 6 0 。 6 0 ， 见：6 ，： 3 5 m ml m m1 o m m2 8 m m5 5 r a m 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 3 定、转子槽尺寸圈 f i g 。2 - 3d i m e n s i o no f s l o t si nt h em o t o ry b c m l 5 0 - 4 3 防爆型水冷电机相带及电密的给定y b c m l 5 0 4 型异步电动机为双层 绕组、y 连接，第一节距m 为8 ，每极每相槽数为 g ：旦= j 生：3( 2 5 ) 2 p r o 2 x 2 x 3 。 式中：q 为定子槽数，按最大电势原则，整个定子槽分成六个相带，每个槽槽 号及槽内电密如表2 3 所示。 表2 - 3 各裙带槽号及电密 ， t a b l e2 - 3n u m b e ra n dc u r r e n td e n s i t yo fs l o t 瑚带 薇永 azbxc ，y 第一对极 i 、2 、34 、5 、67 、8 、9l o 、1 l 、1 21 3 、1 4 、1 51 6 、1 7 、l s 第二对极1 9 、2 0 、2 l 2 2 、2 3 、2 42 5 、2 6 、2 72 8 、2 9 、3 03 l 、3 2 、3 33 4 、3 5 、3 6 电密 j e j 矿3 分磷灰j l 舻屁j l 钟j e j 2 4 矿j e j 制 表中：歹拦叠笋；乇为相电流幅值；如为定子槽露积；蜒为每槽线数；露为 并联支路数n 钔。 定子绕组的相带分布如图2 - 4 所示，图中颜色相同者表示电流相位一致。 对予同一组线圈，上层线棒与下层线棒相隔s 个槽距，分列予上下层，电流大 小相等，方向相反。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 图2 - 4 相带图 f i g 。2 - 4f i g u r eo f p h a s ez o n ei nt h em o t o ry b c m l 5 0 - 4 4 d 3 1 0 硅钢片b 日曲线转子槽内铜条的电导率取为铜的，定、转子铁 芯则采用硅钢片d 3 1 0 ，相应的廖日曲线如图2 5 所示。 厂。 ， 1 2 53 7 56 2 , 58 7 5 1 1 2 5 ) 图2 5d 31 0 硅钢片召爿磁化曲线 f i g 2 - 5d 3 1 0b - h m a g n e t i z a t i o nc u r v e 5 模型的离散化电机模型的离散化，也就是网格剖分，对有限元计算结 果的精度是非常重要的。本文电磁场计算统一采用三角形二维有限单元，首先 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 由计算机对电机求解区域进行自动剖分，由于计算机自动剖分过于稀疏，故而 对原剖分图进行了手工加密，重点加密了磁场变化率大的气隙部分n 引。鉴于模 型的对称性，只列出电机上半部的网格剖分，如图2 6 所示。 图2 。6 二维剖分图 f i g 2 - 6 “t w o - d i m e n s i o n a l ”m e s h e df i g u r e 2 2 防爆型水冷电机电磁计算结果分析 图2 7 额定运行磁力线分布 f i g 2 7d i s t r i b u t i n go fr a t i n gm a g n e t i cf i e l d 根据以上尺寸数据、材料属性和边界条件，可以加载电流拟合求得电机额 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 定运行时，整个求解域上的二维电磁场分布。 如图2 7 所示，为额定运行时电机磁力线分布图。绝大多数的磁力线分布 于转子齿、定子齿及它们之间的气隙形成的回路中，其中转子轴和冷却水套为 非磁性材料，磁力线平行相邻边界。 图2 8 为电机稳定运行后某一时刻的磁通密度图。定子轭部和齿部及转子 齿部是磁通密度较大的地方，基本铁耗和附加损耗也相对较大，是需要重点考 虑散热的位置。 2 3 本章小结 图2 8 额定运行的磁密图 f i g 2 - 8d e n s i t yo fr a t i n gm a g n e t i cf i e l d 本章对防爆水冷异步电动机的基本情况做了介绍，给出了计算二维电磁场 的计算模型及边界条件，以y b c m l 5 0 - 4 型电动机的实际运行工况为例，应用 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 有限元软件对电机负载时的情况进行了计算，并通过后处理模块给出了磁通密 度等各场量的分布图，参考其中所得磁密值，与样机已给的用路的方法求得的 磁密值相结合，为下章进行温度场的热源计算打下基础。 哈尔滨理工大学下学硕士学位论文 第3 章电机的发热与换热 电机热源的准确计算是电机温度场分析的基础，因此对电机的发热与换热 原理及冷却结构的了解是十分必要的，本章将会就本样机的这两方面内容展开 介绍。 3 。l 电机的发热及热源计算 电机的各种损耗是电桃发热的内在因素，电机在运行中产生的铜耗、铁耗 和机械损耗，基本上都要转变为热能，除了冷却介质带走的一部分热量外，其 余的将引起电机温度的升高。准确计算电机中的热源大小及其分布，可有的放 矢地采取措施冷却发热部分，以求电机的温升限制在允许的范围之肉，并力求 均匀化n 副。 电机的损耗一般可分为下列各类：基本铁耗、附加损耗、铜耗和机械损耗 等。 3 1 1 基本铁耗 定子铁心中的基本铁耗纸，主要是主磁场在铁心中发生变化时产生的， 分布于定子铁心的轭部和凿部中。它包括磁滞损耗和涡流损耗，为了计算方 便，通常可由以下数值方程得到 p p , = x o p l o 脚b 2 吒( f 5 0 ) 一 ( 3 1 ) 式中：砭为经验系数，把由于硅钢片加工( 钢片冲压和车削后片间的短接) 、 磁通密度分布的不均匀、磁通密度随时间不按芷弦规律变化以及旋转磁化与交 变磁化之闻的损耗差异等瑟引起的损耗增加都估计在内，轭部为1 3 ，齿部为 1 5 ；翻o ，如为当工作频率是5 0 h z 、磁通密度是1 t 时，硅钢片单位质量内的 损耗，它的值由硅钢片型号而定，这里取为2 o ；嚣选用铁心中的最大磁通密 度值b ，；g & 是受交变磁化或旋转磁化作用的钢的重量；撵为系数，这里取热 轧硅钢片的1 3 ；f 是主磁场基波频率，本文一律取为5 0 h z 。 3 1 2 附加损耗 空载时铁心中的附加( 或杂散) 损耗，主要指由定子和转予汗稽丽写| 起的 气隙磁导谐波在对方铁心表面的表面损耗和因开槽焉使对方齿中磁通因电机旋 转丽变化所产生的脉振损耗；负载时的附加损耗，则是盘予定子或转子的王作 电流所产生的漏磁场( 包括谐波磁场) 在定、转子绕组里和铁心及结构件里引 起豹各种损耗。对于大多数运行时电枢端电压固定或转速变化率不大的电机， 空载时的附加损耗从空载到额定负载变动很小；本文仅对空载时铁心的附加损 耗进行考虑和计算。另外，表面损耗只集中于铁齿表面的一个薄层里，对本样 机计算时，假定表面损耗透入定、转子表面深度为1 5 r m n 。 1 表面损耗在感应电机中，定予和转子铁心均由硅钢片叠压而成，而且 定予和转予都有槽。定子开槽引起的气隙磁导齿谐波磁场会在转予表面产生表 面损耗，反之也是。转子的表面损耗玩，为 。 ，一 = 或2 筇熟2 警 ( 3 2 ) 1 2 式中：岛、，为转子铁心外径、长度，毛、跣：为转子齿距、槽躁宽，它们的 尺寸都可豳样机的实际尺寸给出；p a ，是由定子槽开口引起的齿谐波磁场在转 子单位表飚中产生的损耗，考虑拨谐波磁场的幅值沿空闻按正弦规律变化，通 常可用下列数值计算公式求解p ， ，p a 2 = 0 s k o ( z l 撑) l ( 岛l 南) 。( 3 3 ) 其中，经验系数主要与硅钢片的规格、性能以及铁心的加王质量有关，对于 低含硅量的硅钢片，它等于1 5 ，加王惹可达3 5 ，对予高含硅量硅钢片约等于 0 7 ，加工盾霹达1 5 3 ，本样机今取为1 5 ，加工后取4 ，帮转予表面取4 ， 丽定子表面取1 5 ( 定子表面未经车海加工，褥转子表藤需要车削) ；z 为定 予耩数，本样机取3 6 个；羟为转子转速，本样机取1 4 7 5 转分；为定予予齿 宽；b o ，为由定子开槽雩| 起的齿谐波磁密幅值，它等予 菇。警p o ，磊( 3 - 4 ) 其中，反。为( b o ，8 ) 的函数，从电机设计的关系曲线中，可以查得本样机的 绕。为0 4 ；玛为气隙磁密最大值；鬈矾为气隙系数，是定子有槽时转予虚拟为 光滑时的气隙系数，由于本样机定子槽为梨形槽( 半闭翻槽) ，则有公式 彪。丛生兰坚堕型吐 ( 3 5 _ ) ” ( 4 4 8 + 0 7 5 b 0 1 ) 一b o ； 、。 哈尔滨理1 = 大学工学硕十学位论文 其中，6 0 ，为定子槽口宽；艿为气隙长。逐层将以上各值代入公式，则可得异步 电机的转子表面损耗；同理，改变各参数对应下标，也可循例求得定子表面损 耗。 2 脉振损耗感应机中，由于定子和转子都有槽，当转子旋转时，定、转 予槽关系不断变化，依次循环于齿齿相对、齿槽相对之间。很明显，在这两个 不同位置，进入定、转子齿中的磁通量不同，当转子齿正对着定子齿时，气隙 长较短，磁阻较小，齿中磁密则较高；反之，当转子齿正对着定子槽时，气隙 长较长，磁阻较大，齿中磁密则较低；可见隧着电机的旋转，备齿中磁密就出 现较高频率的脉振变化，因此导致转子齿中产生铁损耗，这部分损耗叫脉振损 耗n 瓤。当不考虑参数单位时，通常可用以下数值计算公式求取定子齿中的脉振 损耗( 单位为w ) p p l 0 0 7 ( z 2 n ) 。雪：l q lx l0 畸(36 式中：乙为转子槽数，本文取2 6 个；n 为转子转速( 单位为r m i n ) ；g f 。是 定子齿重量( 单位为k g ) ；吃，为由于转子开槽引起定子齿里的磁通密度脉振 振幅，可由下式计算得 l ：y 2 。6 。k b ；l ( 3 - 7 ) 二l l 式( 3 7 ) 是根据定、转子齿、槽尺寸关系最不利的情况下得出的，如果还考 虑这种附加损耗主要为涡流损耗，丽频率较高，以及齿钢片磁导率变化等影 响，实际齿中磁密脉振振幅要小一些，计算时可取磁= l 作为近似补偿，于是 有下式成立 澎譬骂， o 一印。 z - 式中：艿为气隙长； 为定子齿宽；骂，为定子齿中平均磁通密度；系数携由下 式定义得 以= 风譬= ( 譬) 2 ( 5 + 警) ( 3 - 9 ) 式中：6 b ：为转子槽口宽；逐层将以上各值代人公式，则可得异步电机定子齿 中的脉振损耗。同理，把式( 3 6 ) - ( 3 - 9 ) o ? 各符号的下标l 及2 互相对换，就可 褥出转予齿中脉掇损耗的表达式。 工厂中常常不单独计算感应电机的空载附加铁心损耗，而是根据试验，对 求解基本铁耗公式中的艺进行修正，取更高值，来求解附加铁心损耗；本文由 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 于实验条件限制，均直接由各经典公式求解各种损耗。 3 1 3 铜耗 电机各部分绕组( 或鼠笼条和端环) 里的电气损耗俗称铜耗。定子绕组、 转子鼠笼条和端环材料都具有一定的电阻，当电流通过时就会产生损耗，这些 损耗会产生热量使定子绕组、转子鼠笼条和端环材料发热。根据我们熟悉的焦 耳愣次定律，此损耗应等于绕组中电流的平方与电阻的乘积。如电机具有多 个绕组，则应分别计算各绕组的电气损耗，然后相加；对于交流m 相绕组，如 其中电流，都一样，绕组电阻r 都相同，则其上铜耗为 几= m 1 2 r( 3 1 0 ) 式中：m 为交流电的相位数，本文通取为3 ；计算铜耗时，假定电流在导线截 面上均匀分别，故上列公式中的电阻尺指的是换算到基准工作温度时的直流电 阻。本文中，电流，与绕组电阻r 都按样机的技术指标给出。 3 1 4 机械损耗 机械损耗包括通风损耗( 由转子旋转引起的转子表面与冷却气体的摩擦损 耗) 、轴承摩擦损耗和电刷摩擦损耗哺胁虬。这些损耗在大多数情况下，均难以 准确计算。因此一般情况下，工厂都是根据已造电机的实验数据来近似计算， 本样机内出于防爆考虑，并未安置通风风扇，因此通风损耗很小可以免予考 虑，另外本文只对样机的二维温度场进行计算，主要考虑整机中心剖面二维温 度场，因此轴承摩擦损耗和电刷摩擦损耗在此不重点考虑。 获取以上损耗后，结合样机尺寸把它们换算成单位体积生热率，代入有限 元温度场中作为热源。 3 2 电机的冷却方式及冷却结构 3 2 1 电机的冷却方式 电机进入人类历史已近百年，随着电机制造业的发展，电机的单机容量日 益增大。为了提高电磁负荷和材料的利用率，可以说，单机容量的增大，主要 是依靠电机冷却技术的改进而实现的。 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 根据冷却介质的不同、电机的冷却方式可分为空气冷却、氢气冷却及水冷 却等几种。 利用空气冷却的电机结构简单，成本较低。其缺点是空气的冷却效果较 差，在高速电机中引起的摩擦损耗大。一般小型异步电机多采用闭路循环系 统，小型同步电机和直流电机及中型电机则采用开路循环系统，在水轮发电机 中，空气冷却是应用最广泛的冷却方式。 最早的氢冷系统引入电机中是在1 9 3 7 年。最初，它仅限于绕组表面，虽 然使其表面温升下降，但绝缘层中的温度几乎没有改变，所以氢外冷的冷却效 果不十分理想。在实心铜线中夹进若干根空芯不锈钢管，让氢气从钢管中流 过，以导出铜线的热量，这就是定子氢内冷方式。将转子绕组改由空芯铜线制 成，或在绕组两端铣出侧孔和纵向沟，或采用中间铣槽方式，在转子槽楔上制 出特制的风斗，靠转子旋转切向动能维持气体自旋转，称之为气隙取气的转子 内冷方式。现在世界各国生产的5 0 0 m w 以下的汽轮发电机，氢冷占了重要的 地位障h 3 。9 。 本样机虽然功率并不大，仅有4 0 k w ，属于中小型异步电动机，但由于体 积小、而功率密度大，具有和大型发电机一样的换热需求，因此采用了一般仅 用于大型电机中的水冷方式。 3 2 2 电机水冷却技术概述 从电机面世到上世纪3 0 年代，空气冷却是电机冷却的基本方式，但随着 科技发展，一些新的冷却技术也不断出现，丰富了电机的冷却手段。1 9 1 5 年， 德国学者舒勒提出了电机利用氢气冷却的方案，该技术于1 9 2 3 年前后被美国 通用公司通过实验证实后，逐渐推广开来；1 9 1 7 年，匈牙利冈茨工厂开始用变 压器油作牵引电机的冷却