王云阳哈尔滨理工大学学士学位论文.doc

哈尔滨理工大学学士学位论文兆瓦级异步风力发电机转子温度场计算摘要随着风力发电产业的迅猛发展，电机单机容量的不断增加，各项技术指标也在不断被提高，这就对电机各部分结构的温升限制提出了更高的要求。过高的温升会直接影响到电机的使用寿命和运行的安全可靠性。在电机设计阶段，若能初步计算出电机的温度分布，求出相关部件在电磁限制和材料限制下的稳态温升，找出额定工作时温升最大的位置，便可对电机的优化设计提供有力根据，进而使电机的设计方案更加先进合理。因此，合理掌控电机的稳态温升已经成为电机研发成功与否的重要因素之一。在国内外关于电机温度场的相关文献中，针对交流异步风力发电机进行的研究比较少，其难点在于该电机的转子结构中既有轴向通风孔又有径向通风沟，转子旋转时其周围及内部流体流动复杂，因此对电机内物理场的准确计算具有一定的理论难度。本文以1.5MW交流异步风力发电机为研究对象，对电机内温度场进行了求解。首先根据传热学理论，建立了电机转子部分三维温度场模型，给出了电机各项损耗及散热系数的计算方法，接着应用有限元软件ANSYS进行分析计算，最终给出了模型的温度分布云图等结果，并对其进行了一系列的分析，虽然本文建立的物理模型在基本假设方面有所简化，但对于类似问题的解决仍具有一定的参考价值和工程实际意义。关键词温度场；异步风力发电机；有限元法；ANSYSCalculation of temperature field of the rotor of MW wind induction generatorAbstractWith the rapidly developing of wind power and the fast growing of unit capacity, all kinds of technical indicators are also increasing, which makes a higher expectation of the limit of temperature rise about every component of motor. The high temperature of motor can affect the service life, operating safety and reliability of the motor directly. In the period of the designing of motor, if we could calculate the temperature distribution of the motor, solve the limit of temperature rise caused by the electromagnetic calculation or the physical properties of the materials, and find out the position of the highest temperature of the motor when its in rated working state, then all these things would help for the design a lot, in this way, the design program can be more rational and advanced. So one of the most important factor of designing the wind induction generator is that control the steady-state temperature rise and other indicators of the motor reasonably, which also decides whether the motor successfully designed.There are a few researches which just take the wind induction generator as the studying object in the articles about the temperature distribution of the motor all over the world. The reason is that there are ventilation grooves both in the radial and the axial direct of the rotor. Whats more, when the rotor is revolving, there is a complex flow all around the rotor, so its difficult for calculate the temperature distribution correctly, which has so much engineering significance.In this paper, taking the 1.5 MW wind induction generator as the studying object, we have analyzed the temperature field of the motor, published three-dimensional mathematical model of the rotor based on the heat transfer theory, offered the calculation method for motor loss and thermal coefficient. By applying the finite element software ANSYS to calculate and analyze, we have got the cloud atlas of temperature distribution and some other forms of the results. We also have got some analysis and beneficial conclusions based on these results. Although the model referred in this article is a little simple, there are still some references for the similar questions. Keywordstemperature field; wind induction generator; FEM;ANSYS不要删除行尾的分节符，此行不会被打印- III -目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外现状11.3 本论文主要工作和意义2第2章 有限元法在传热学中的应用32.1 概述32.2 传热学的基本定律32.2.1 热传导定律32.2.2 热传导方程52.2.3 对流和辐射散热62.3 电机稳态温升的计算72.3.1 几种典型的温度分布72.3.2 电机温度场计算方法简介82.4 有限元法概述92.5 三维稳态温度场的有限元分析102.5.1 三维稳态温度场的变分表达102.5.2 变分问题的离散及有限元方程的形成102.6 本章小节12第3章 交流异步风力发电机的转子温度场分析133.1 交流异步风力发电机的特点及电磁计算数据133.1.1 交流异步风力发电机的特点133.1.2 交流异步风力发电机的电磁计算数据133.2 三维温度场的物理模型143.2.1 计算区域的确定及基本假设143.3 相关参数的计算153.3.1 热源163.3.2 材料及其导热系数183.3.3 各部位散热系数193.4 计算过程及结果分析233.4.1 剖分网格及施加边界条件233.4.2 结果与分析243.5 本章小节26结论28致谢29参考文献30附录31千万不要删除行尾的分节符，此行不会被打印。在目录上点右键“更新域”，然后“更新整个目录”。打印前，不要忘记把上面“Abstract”这一行后加一空行- V -第1章 绪论1.1 课题背景随着国家对新能源相关产业的重视，以及核能隐患问题的日渐凸显，风能的发展就变得尤为重要。近年来，风力发电机的单机容量不断增加，其各项技术指标也在不断被提高，这就对电机各部分结构的温升限制提出了更高的要求。如果电机温度过高，则会直接影响到电机的使用寿命和运行的安全可靠性。在电机设计阶段，若能初步计算出电机的温度分布，求出相关部件在电磁限制和材料限制下的稳态温升，找出额定工作时温升最大的位置，则对电机的优化设计提供了有力根据，进而使电机的设计方案更加先进合理。因此，合理掌控电机的稳态温升已经成为电机研发成功与否的重要因素之一。使用准确的仿真分析便于我们准确掌握电机内温度分布情况，进而提供优化、准确的电机设计方案。本文采用有限元法围绕兆瓦级异步风力发电机温度场进行了研究，建立了相对完整的理论分析模型和计算方法，对交流异步风力发电机的设计与优化有着重要的意义。1.2 国内外现状目前国内外很多学者对电机内耦合场以及影响温度场的某些因素进行了大量的研究工作。国际上Armor A F.等学者用有限元法研究了涡轮发电机转子瞬态温度场1，Chari M. V. K. 等学者对大型涡轮发电机的定子铁心进行了研究，并利用有限元法分析了其热流分布2。Christian Kral 整合了等效热路法和参数估计法对鼠笼电机的转子温度进行了估算。R Krok 对发电机在负载不对称情况下的转子温度场进行了计算，对发电机运行时的故障诊断进行了研究。ADi Gerlando 对大型异步电动机定子绕组的温度场进行了计算。 国内学者汤蕴璆、张大为利用有限元法对水轮发电机定子最热段三维温度场进行了计算3，魏永田等学者对大中型异步电动机的定子三维温度场进行了研究4，李德基等学者利用等效热路法计算汽轮发电机定子槽部三维温度场进行了计算，胡敏强等学者采用圆柱坐标系下六面体有限元方法计算了大型水轮发电机定子铁芯的温度场。颜威利等学者用有限元法对电磁铁三维稳态温度场和大型水轮发电机定子温度场进行了计算。许承千等学者运用稳定导热问题的有限差分法分析了电机的三维温度场计算，李伟力等学者基于流体相似理论和三维有限元法计算大中型异步电动机的定子三维温度场及采用六面体、八节点有限元方法对大型同步发电机定、转子和端部温度场的计算也有一些研究工作。国内外的学者虽然对于大型发电机的温度场研究作了很多工作，但对于交流异步风力发电机的温度场的研究工作还不多，这方面的文献也不常见。交流异步风力发电机的转子结构中既有轴向通风孔又有径向通风沟，转子旋转时其周围及内部流体流动复杂，因此对电机内物理场的准确计算具有一定的理论难度。1.3 本论文主要工作和意义本文的工作主要包括以下几个方面：（1）阐述了传热学理论及电机内热交换的特点；（2）介绍了有限元的基本概念及利用有限元的方法计算三维温度场分布的原理；（3）给出了电机内各项损耗及散热系数的计算方法，列出了一些材料的物理性能；（4）根据任务书所给数据建立三维物理模型，利用有限元软件计算出交流异步风力发电机转子的温度分布，并对其结果进行了分析和讨论，最终得出一些结论。第2章 有限元法在传热学中的应用2.1 概述由于有限元法具有边界适应性好，允许材料物理属性的非线性，以及计算准确性高等优点，随着计算机运算能力的不断提高，有限元法广泛地应用在电机内温度场分布的计算中。对于传热学所描述的物理问题，将连续体的无限自由度离散为有限自由度，从而可利用基于变分原理的方法，将其归结为代数方程组求解。2.2 传热学的基本定律在电机内热交换的过程中热量主要由损耗产生，一般情况下总是先由发热体内部通过传导作用传到发热体表面，然后再通过对流和辐射作用散到周围介质中去。因此本课题从讨论传导对流和辐射三种传热方式的基本规律中，寻求对发热体温升的计算方法。2.2.1 热传导定律热传导只发生在空间中温度有高低差异的温度场中。若将温度场中有相同温度的点连接起来，便得到等温面或等温线。在导热性能均匀的各向同性介质中，由于对称的缘故，各点热量传导的方向总是和该点温度的空间变化率最大的方向一致，亦即与通过该点的等温线的法线方向一致。而热流密度（单位时间内通过单位等温面的热量），则与各点在等温面法线方向上的空间温度变化率即各点的温度梯度成正比： （2-1）式中q热流密度，J/(m2s)。比例常数，即热导率，W/(mK)。由于温度梯度的正方向应为温度上升方向，而热量的传播方向即热流量的方向为温度下降的方向，故在等式右边加一负号。式（2-1）是热传导的基本定律。当热流只有一个方向，并把这个方向取为轴时，式（2-1）可写为： 根据热流密度定义：式中单位时间内通过等温面的总热量，即热通量(简称热流)，W/s。 A等温面的面积（即与热流方向垂直的面积），m2。所以热流的表达式为：如果研究的是A为常数的热传导过程，则可将上式积分而得： (2-2) 假设研究的问题是单方向的平面热传导，且时，则有，代入（2-2）式得： 可见，在平面热传导中，温度的分布是一条直线。如当时，则有： 温度差为 或写做 式中称为热阻，。如果将温差热流及热阻之间的关系与电路中的电压降电流和电阻之间的关系互相比较，就可看到：温差相当于电路中的电压降；热流相当于电路中的电流；热阻相当于电路中的电阻。因此，我们也可以将温度分布的“场”问题看作“路”问题，而采用与电路相似的热路概念，但是电流构成的回路与热流构成的“回路”仍有某些概念性的差别。在热路中求合成热阻的方法也与电路中求合成电阻的方法相同。串联时的合成热阻为 并联时的合成热阻的倒数为 2.2.2 热传导方程如果要计算的是较为复杂的热传导问题，例如计算绕组导体或铁心沿轴向的温度分布（并由此来确定其中的最高温度）时，则不能采用近似 “路”的概念，而仍需要场方程，即需要建立温度场与热源之间的关系式。这样的关系式称为热传导方程，它是建立在热传导定律和能量守恒原理的基础之上的。设想从有热源温度场的介质中分离出一个体积元，则根据能量守恒原理：在一定时间内，这个体积元内所产生的热量应等于同一时间内从这个体积元表面传导出去的热量与留在体积元内的热量之和，即 (2-3)假定介质在单位时间内，单位体积中所产生的热量为，可以是空间及时间的函数，则在时间内，介质中所产生的热量为 (2-4)式中“”表示对介质全部体积进行积分。在同一时间内，被介质所吸引的热量为 (2-5)式中为比热容。在同一时间内，从介质的全表面传导出去的热量为（假定各向热导率相等） (2-6)式中使用了奥氏定理，又因为热量是从高温流向低温，在此情况下为负值，为使从介质的全表面传导出去的热量为正值，故在等式右边加一负号。将及的表达式代入式（2-3），整理后得 于是有 或 (2-7)式中式（2-7）就是热传导方程，它是用微分方程的形式来表达各物理量在相邻空间和相邻时间的数值间的关系。此方程必须在给出空间的边界条件和时间的起始条件时，才有定解。2.2.3 对流和辐射散热电机中的热源主要是绕组和铁心中的损耗。一般情况下，热量从发热体表面散发到周围介质中去主要通过两种方式：一是辐射；二是借助于空气或其他冷却介质的对流。在电机中，通常后者占主要地位。(1)辐射散热按辐射定律，每秒从每平方米发热体表面辐射出去的热量 (2-8)式中 发热体表面的温度，K。周围介质的绝对温度，K。纯黑物体的斯忒藩-玻耳兹曼常数，。比例系数，其值随发热体表面情况的不同而异。根据式（2-8），可以看出由辐射散走的热量，一方面决定于发热体表面的特性，表面晦暗的物体的辐射能力大于表面有光泽的物体；另一方面决定于发热体表面与其周围介质的温度。一般在平静的大气中，由辐射散发的热量约占总散热量的40%。当采用强制对流来冷却电机时，由强制对流散走的热量要比由辐射带走的大得多，故后者常被略去不计。(2)对流散热发生于固体表面和流体直接接触时的散热情况。当固体表面的温度与流体的温度不相等时，它们之间将产生热交换，热量将由高温物体转向低温物体。这种交换热实际上是传导和对流两种作用，但总称为对流换热。在电机中，铁心绕组或其他发热部件中产生的热量便是由流过这些部件的某一或某些表面的冷却流体（空气氢气水油等）所带走，因此对流散热形式在电机冷却系统中广泛存在。这种散热形式的散热能力，主要取决于流体在固体表面上的运动状态。当流体作层流运动时，流体仅有平行于固体表面的流动，若将流体分成许多平行于固体表面的流动层，且各层之间没有流体的交换，这时在与固体表面垂直的方向，热量的传递主要依靠传导作用。由于流体的热导率较小，所以层流时的固体表面的散热情况很差。当流体作紊流运动时，流体各部分不再保持平行于固体表面的运动，而以平均流速向各方向作无规则的漩涡，这时热量的传递主要依靠对流作用。由于对流传热时的热阻比较小，因此流体作紊流运动时的固体表面的散热能力显著提高。在紊流情况下，靠近固体表面仍存在着一个层流薄层，但如流体的流速越大，则这个层流层就越薄，表面散热能力就越强。对流散热时，表面散热能力还与冷却介质的物理性能以及固体表面的几何形状尺寸以及它处在流体中的位置等因素有关。2.3 电机稳态温升的计算2.3.1 几种典型的温度分布在电机的温升计算中，最主要的是计算绕组和铁心的温升。这些部件既是导热介质，其中又有分布热源，它们的温度一般来说在空间上总是按一定的规律呈曲线分布，这样就有了最高温升和平均温升之分。虽然电机各部件的发热限度应与最高温升之间是有一定的规律性联系的，因而也可用平均温升来衡量电机的发热情况。下面对电枢绕组励磁绕组和铁心中几种典型的温度分布情况8，作一概述。(1)采用对称径向通风系统的电机中定子绕组沿轴向的温度分布采用这种通风系统时，通过各径向通风道的风量大体相同。这时绕组和铁心的最高温度都发生在电机的中部。定子绕组中部由铜（铝）耗转换成的热量，一部分通过铁心和通风道散到空气中去；另一部分则沿绕组向两端传导，并从绕组端部散到空气中去。在有效长度不长的一类电机中，端部的散热对绕组的冷却起着显著的作用。(2)采用轴向通风系统或混合式通风系统电机中定子绕组沿轴向的温度分布一般来说，采用所述的这种两端不对称的通风系统时，定子绕组和铁心的温度分布发生最高温度的位置，由对称通风系统情况的中部向热风逸出电机的出口方向移动。(3)表面冷却的封闭式（交流）电机中定子绕组温度沿轴向的分布在这类电机中，定子绕组中的损耗热量主要通过铁心机座散出去。绕组端部的散热条件较差，因此端部损耗热量的一部分也要传经槽部而通过铁心散出去。这样定子绕组的温度分布就形成了二端高中间低的情况。(4)励磁绕组中的温度分布在集中的多层励磁绕组中，由于高度比厚度大得多，热量主要从表面散出。通常绕组内外表面上的散热情况是不一样的，因此温度分布是不对称的。(5)铁心叠片组中的温度分布由于硅钢片叠片组沿径向及沿轴向的热导率相差很多倍，可以近似地认为铁心叠片组沿径向的温度分布是均匀的，而沿轴向的温度分布是不均匀的。如果通过其两侧径向通风道的风量不同，则铁心沿轴向的温度分布也将不对称。2.3.2 电机温度场计算方法简介电机的温度场计算是电机工程中的一个重要内容，它直接影响到电机的使用寿命、运行的可靠性和经济性。与电机电磁场的研究比较起来温度场的研究起步较晚，而且电机的发热和冷却是一个复杂的过程，它与传热学、空气动力学和电机制造工艺等多个学科紧密相关，再加上电机热量传播过程的复杂性，很难进行准确的电机温度场计算。随着计算机的推广和应用，对电机内温度场的研究方法也随之增多，从传统的解析法发展到数值解法，电机分析模型从二维发展到三维，研究对象从单一的物理场模型发展到复杂的物理场耦合模型，从宏观转为微观，从总体转到局部单元。近年来，国内外电机温度场的计算方法大体有：简化公式法、等效热路法、有限元法、网络拓扑法、热网络法、有限差分法、边界元法和有限体积法。此处只介绍前三种工程中常用的计算方法。(1)简化公式法简化公式法是电机制造厂设计时常用的一种方法。首先，计算出各部分的热负载，再通过牛顿散热公式 (为散热系数），得到相应的温升。用此方法计算既简单又方便，因此适用于工厂中的设计，计算精度较差，且只能计算出电机整体的平均温升，不能满足日益提高的性能要求对应的设计工作的需要。(2)等效热路法在工程实践中，由于电机传热问题的复杂性，根据传热学和电路理论，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，称为等效热路法。热路图中的热源为绕组的铜损耗(槽部、端部)和铁损耗(齿部、轭部)，这些损耗所在部件在计算时都认为是均质的。损耗热量通过各种相应的热阻，由热源向冷却介质传递，形成一个系统，用求解线性电路的方法可以计算出电机各有效部分的平均温升。此方法计算精度比简化公式法高，能够得到电机总体温升和平均温升。如果要提高计算精度，必须增加网络节点和热阻数，这就使得工作量大大增加，失去其计算工作量小的优点。等效热路法中使用如下假设条件：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，且两者在数值上不取决于热流的大小，通过这些假设可以把成熟的电路理论用在等效热路中，这样就能将等效热路法用于线性热回路，并采用普通的代替法进行求解。(3)有限元法有限元法是随着计算机处理数据速度的加快而得到广泛应用的，是目前电机工程中常采用的一种数值计算方法，对于复杂的几何形状，具有网格剖分灵活的特点，对边界条件不均匀的材料特性、场梯度变化较大的场合，都有着很好的适用性。通过计算机进行离散化处理，把复杂的温度场计算实体，离散为数万以至数十万个计算节点，再采用有限元法对热传导方程进行求解，使人们从繁琐的计算中脱离出来。此法目前已有现成的通用计算机软件（如ANSYS等），采用有限元法可计算出电机内部气体流场运动规律，对于电机中复杂的流固接触面的非线性对流系数可自动提取，通过求解温度场的微分方程得到各单元的温度，进而能准确地计算出电机内部温度分布。二维温度场的有限元计算较方便，占用计算资源少，能提供精确求解，但无法考虑轴向温度分布，然而我们依然可以从中了解到温度变化的趋势。还有一些针对电机内部某些部件的温度场计算，如绕组端部温度计算，铁芯温度计算等。对于三维温度场计算，由于电机结构复杂，材质的温度传导系数不均匀且大多具有各向异性的特点，同时转子还处于运动状态，流体场的计算规模大并且非常复杂，所以就电机整体来说，其发热和散热过程都极其复杂。电机温度场是复杂的三维温度场，即认为热流可分解为沿轴向、径向和周向流动(取圆柱坐标系)。2.4 有限元法概述有限单元法是对古典近似计算的归纳和总结，它吸取了有限差分法中离散处理的内核，又继承了变分计算中选择试探函数并对区域积分的合理方法。在有限单元法中，试探函数（以后称插值函数）的定义和积分计算范围，不是整个区域，而是从区域中按实际需要划分出来的单元。这就克服了古典变分计算中由于不做离散处理而不能求解复杂问题的缺点。在有限单元法中，由于对单元做了积分计算，就充分估计了单元对节点参数的贡献，从而克服了有限差分法中不考虑单元所起作用的缺点。有限元法是从变分原理或加权余量法出发，结合单元剖分和分片插值，用于求解数理方程的一种离散化的数值方法。有限元法虽然起源于结构理论，但近年来由于此方法的有效性，迅速推广到造船、机械等工程部门并取得了很大成绩，以后又推广到非结构的各种场问题，如流体场、温度场、电磁场等领域。由于泛函的局限性，使有限元法在各学科中的推广应用遇到困难。例如，在流体力学问题传热学问题和扩散等问题中，有些当前还没有对应的泛函。为此近年来特别注意到从微分方程出发的“变分”，并且这个计算是在离散处理的基础上进行的，这就是离散算子的概念。例如，稳定温度场的有限单元法计算格式，可以在离散基础上从能量变分求得，也可以在离散基础上的微分方程“变分”求得（即离散算子法，国外文献中仍称作伽略金法）。2.5 三维稳态温度场的有限元分析2.5.1 三维稳态温度场的变分表达对于稳态温度场，在直角坐标系下的热传导方程为 当物体导热微分方程建立起来后，还必须给定其他边界条件，以确定其温度场的分布。常见的温度场边界条件已在上文提出：若在边界面上，物体的温度是给定的，称为第一类边界条件 (2-9) 若在边界面上，热流密度为一恒定值，称为第二类边界条件。特别对于=0的情况，即在边界面上没有热传导，称为绝热边界条件。第二类边界条件可表达为 (2-10) 若已知边界面周围介质的温度以及物体边界面与周围介质之间的热交换系数，称为第三类边界条件。根据牛顿散热定律，第三类边界条件可表达为： (2-11) 因此由式(2-9)、(2-10)和(2-11)组成了各向异性介质中三维稳态温度场的边值问题。2.5.2 变分问题的离散及有限元方程的形成数学上已证明，对应上节所述3式的等价变分问题为： (2-12)把求解区域剖分成E个单元，则上述变分问题可写成 采用六结点三棱柱单元，单元内任意点的温度T用单元形状函数和节点温度表示为：T= 式中，=考虑到： 则 式中，为方阵，其元素为：= 为列阵，其元素为： 是的方阵，其元素为 式列阵。其元素为： 由此可得 式中，T为求解域内全部节点温度所形成的温度列阵；K和F分别为总体系数矩阵和总体右端向量： 当泛函取极值式，去变分，故，由此可得 再用第一类边界条件修改次方程组，求解修改后的方程组，即可以得到各点的温度值。具体应用时，根据所采用的有限元（立体）单元形状和坐标系的不同（例如采用复杂程度不同的等参元），会有不同的单元形状函数，可分别导出单元对系数矩阵和右端项贡献的表达式，再分别推得第二类边界底面单元对系数矩阵和右端项的贡献及第二类边界侧面单元对系数矩阵的贡献等。综合这些因素即可得到总体合成的系数矩阵和右端项矩阵，从而构造出相应的代数方程组，并通过一定的数学方法加以求解，这里所指的数学方法主要是矩阵的运算。2.6 本章小节本章介绍了传热学的基本理论，包括热传导定律和热传导方程，以及电机内几种典型的温度分布，有限元的基本原理和三维热传导微分方程的数学变换，为温度场的具体计算提供了理论依据。第3章 交流异步风力发电机的转子温度场分析3.1 交流异步风力发电机的特点及电磁计算数据3.1.1 交流异步风力发电机的特点交流异步风力发电机又称为交流励磁双馈发电机，或交流励磁变速恒频发电机，与交流电机一样其三相定子绕组与电网相连，不同的地方在于其转子绕组也采用了多相绕组，并经交-交变频器馈以低频交流电作为电机励磁，从而在保持其输出频率恒定的前提下，转速可以在一定范围内进行调节，从而能有效地改善发电机组的运行性能和效率9。34521图3-1交流励磁双馈风力发电系统1励磁变压器 2电网 3交-交变频器4转子 5定子该发电系统如图3-1所示 ，定子绕组由电网励磁，转子绕组经交-交变频器励磁，采用交流励磁后，励磁调节的参量有频率、幅值和相位等。通过矢量控制技术可使机电之间完全解耦，使原动机的转速不受发电机输出频率限制，而转子电流的转矩分量和励磁分量可以别分独立、灵活地调节发电机的有功功率和无功功率，这一优点对电网的稳定也非常有利。3.1.2 交流异步风力发电机的电磁计算数据表3-1、3-2所示数据为该电机的基本技术指标和基本尺寸。除此之外还应特别指出，该电机的定、转子槽配合为48/60；定子槽型为开口槽，转子槽型为半开口槽；定、转子径向通风沟个数为8个，宽度为10mm，转子轴向通风孔个数为20个，孔直径为36mm。表3-1交流励磁双馈风力发电机的技术指标额定功率1.52MW额定频率50HZ极数4定子电压690V转速范围10002000r/min功率因数0.9效率0.97额定转速1800r/min 表3-2 交流励磁双馈电机的基本尺寸（单位：mm）定子外径气隙长转子外径转子内径铁心长82015832408303.2 三维温度场的物理模型本课题的物理模型只包含了固体部分，考虑到转子结构的对称性，只分析其圆周方向的1/20，即硅钢片区域上只有两个完整的半开口槽和两个一半的半开口槽，其轴向通风沟作为部分边界面左右各一半。考虑到该电机既有轴向通风孔又有径向通风口，流体分布复杂，为了方便今后更深入的研究，电机结构从轴向方向并没有将其做对称化简，而是完整的保留下来了。3.2.1 计算区域的确定及基本假设3.2.1.1 计算区域利用ANSYS自带的建模功能建立计算区域，先标明关键点，由点成线，再由线成面，将面拉伸便得到了体。ANSYS创建几何模型的功能自成一体，初学者需要用一段时间来熟悉，利用ANSYS建立简单几何应该说是很方便的，本文所分析的几何模型如图3-2所示。3.2.1.2 基本假设计算区域的基本假设如下：（1）假设电机一直运行在额定转速状态，即本文所求得的温度是电机在额定转速下的稳态温度。这时，这台交流异步风力发电机的各项性能就类似于一台绕线式感应电机。（2）为简化计算，不计转子绕组绝缘和槽楔对导条传热的影响，即假设转子槽中只有转子导条，且转子导条均匀生热。（3）转子硅钢片均匀生热。（4）电机因机械损耗和杂散损耗产生的热量不计。（5）由于辐射传热的作用较小，因此忽略不计。（6）转子轴向通风速度为恒速=8m/s，且轴向通风孔表面周围介质为恒温80。（7）转子径向通风速度为恒速=8m/s，且轴向通风孔表面周围介质为恒温80。（8）气隙周围介质为恒温100，转子端面周围介质为恒温80。S7S6S5S4S3S2S1图3-2三维计算区域S1为转子气隙表面；S2,S4为转子轴向截面； S3,S5为转子端部表面；S7为转子轴向通风孔；S6为径向通风孔；（9）对转子进行热分析时，忽略转子端环、护环及前后压圈对传热的影响。（10）为简化模型，只选取转子的一部分进行计算，因此除考虑径向、轴向通风孔、气隙、转子端面的散热外，其他面都做绝热处理。3.3 相关参数的计算电机发热的热源是电机各部分损耗，热传导方程也涉及到模型各部分的材料属性（生热率、导热系数等），而在该方程的三类边界条件中，第二类边界条件需要已知其对应面的热流密度，第三类边界条件需要其已知对应散热表面的散热系数，这些相关参数的准确性是决定整个热分析准确性的关键之一。电机各部分损耗的计算主要根据是相关公式及本课题所给电机的部分电磁计算结果，各材料的导热系数通过相关手册查得，各部位的散热系数主要是根据一些经验公式计算得出。3.3.1 热源电机是一种机电能量转换机构，在机电能量转换过程中不可避免地要产生损耗，这些损耗最终绝大部分变成热量：其中一部分由冷却介质带走，余下的部分则转换成热量，使电机各部分温度升高。准确计算电机内损耗分布是进行温度场及温升计算的基础，电机的损耗从产生的部位划分，一般可分为三类，即铁心损耗、绕组损耗和机械损耗。3.3.1.1 铁心损耗在电机铁心中产生的损耗包括铁心中的基本损耗和附加损耗，附加损耗又分为空载附加损耗和负载附加损耗。铁心中主磁场变化产生的铁心损耗一般称为基本铁耗；定转子开槽引起气隙磁导谐波磁场在对方铁心中引起的损耗称为空载附加损耗；电机带负载后，由于存在漏磁场和谐波磁场而产生的损耗称为负载附加损耗。铁心的基本铁耗由于产生原因的不同，可分为磁滞损耗和涡流损耗。但两者同时发生在铁心中，没有必要将两者分开计算。因而基本铁耗的表达式为： (3-1)式中，铁心净用铁量 由于硅钢片加工、磁通密度分布不均，以及其不随时间正弦变化等原因而引起损耗增加的系数；单位质量的损耗，也称比损耗。由于铁心中轭部和齿部加工情况及磁通密度分布不同，因而铁心中轭部与齿部基本铁耗应分别计算。这里需要指出： (3-2)由式(3-2)容易看出，铁心损耗在很大程度上取决于电机磁场的交变频率。而在异步电机中，转子铁心中的磁场交变频率为式中s为电机的转差率。当电机以额定速度1800 r/min运行时由式 ，得。在计算轭部铁心损耗时，对异步电机，额定功率大于100kVA则取为1.3，在计算齿部铁心损耗时，对异步电机，取为1.8。根据ANSYS软件，已计算出该电机转子轭部硅钢体积为0.085068m3，齿部体积为0.035132m3。综上所述，可计算得转子铁耗为2523.1W，生热率为20990.8486W/ m3。3.3.1.2 绕组损耗绕组中损耗也称为电气损耗，它是由于电流在导体中产生的损耗，包括基本损耗、电刷接触损耗及附加损耗。1. 基本损耗根据焦耳楞次定律，此损耗等于绕组电流的平方与电阻的乘积。如果电机有多个绕组，则应分别计算各绕组基本损耗并相加 (3-3)式中，绕组中的电流； 换算到基准工作温度绕组x的电阻（直流电阻）。2. 电刷基本损耗电刷与集电环或换向器接触电压与电流无关，而与电刷的种类有关。所以，每级下电刷接触损耗 (3-4)式中，电刷接触电压，炭-石墨、石墨电刷1V，金属石墨电刷0.3V。3. 绕组中的附加损耗绕组中的附加损耗主要包括：漏磁场、漏电流引起的附加损耗和谐波磁场在绕组中产生的附加损耗。总体看来，负载附加损耗计算十分困难。在设计中小型电机时通常不详细计算，一般取输入或输出功率的一定的百分数。 综上，经计算得该电机的绕组损耗为10375.52W（不计电刷损耗和附加损耗），根据ANSYS软件，已计算出该电机的60个铜条体积总和为0.0341m3,因此得到生热率为304267.45W/m3。3.3.1.3 机械损耗机械损耗包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗及通风损耗。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试验数据来近似计算，或估算所设计电机的机械损耗。本文中的交流励磁双馈发电机具有风扇，转子表面的散热主要由转子旋转产生的风速决定，转子表面的通风损耗可认为很小，因此由风扇产生的通风损耗占机械损耗的绝大部分，考虑到其对转子温度影响较小，故机械损耗不计。3.3.2 材料及其导热系数导热系数是当温度梯度为1时，单位时间内通过单位面积的导热量。导热系数的大小与材料的性质有关，同一个材料的导热系数随温度、压力、湿度、多孔性和均匀性等因素而变化，通常温度是决定性因素。对于绝大多数物质而言，当材料温度尚未达到熔化或气化以前，导热系数可以近似地认为是线性规律变化，即 (3-5)式中，当温度为时的导热系数； b由实验确定的常数。在电机中定、转子绕组、绝缘即铁心是主要的导热介质，确定三者的导热系数是计算电机温度场的基础工作。 1.金属的导热系数金属固体的导热系数与其分子结构有关。对于金属来说，自由电子的碰撞起决定性作用，因为金属的分子结构特点是晶体格间存在大量的自由电子，当然晶体振波对金属导热也起一定的作用。金属的导热系数随温度的升高而下降，这是由于温度升高，晶体振动加剧，干扰了自由电子的运动。从表3-3可以看出，有温度变化导致金属材料的导热系数的变化比较小，因此在进行工程计算时，也可以认为在一定温度范围内金属的导热系数是不变的。表3-3 金属材料的导热系数材料温度铜黄铜不锈钢铝导热系数W/(m2K)038611516.3221503821102822010037912917.321520037314317.4205本文中的转子导条的材料为铜，而铜的导热系数与温度关系基本为一条平缓的直线，因此由上表两点（0，386），（50，382）即可确定出铜的导热系数曲线。2. 电机硅钢片的导热系数硅钢片本身的导热系数取决于它的含硅量和工业制造方法。一般含硅量越大，其值越小。含硅量的多少也反映在磁滞损耗系数上，所以实用中也可用不同的磁滞损耗系数来划分硅钢片的导热性电机硅钢片的导热系数还与叠装压力有关，压力越大，片间残余气隙越小，接触热阻越小，故导热系数越大。当压力大于0.50.6MPa时，导热系数趋于稳定。由于硅钢片的特殊结构，铁心段的横向和纵向的导热系数是不一样的，纵向导热要好于横向导热，这是因为硅钢片的两个侧面涂有绝缘胶，并且在叠压的时候，无论叠压多么紧密，总有气隙存在，而空气的导热性能比较差，总体的导热性能也会下降。下面分别给出几种规格硅钢片的横向和纵向导热系数。表3-4 硅钢片横向导热系数硅钢片牌号D330D0-100D44D12D13横向导热系数43.41.952.53.6表3-5 硅钢片纵向导热系数硅钢片牌号D11D12D13D22D31纵向导热系数38.738.535.623.421由上表，选择D13硅钢片横向导热系数3.6，纵向导热系数35.6。3.3.3 各部位散热系数3.3.3.1 对流传热的基本概念及牛顿冷却定律对流传热是指运动的流体与它所流经的固体表面间的换热过程。对流传热与导热存在本质上的区别，后者的能量传递是在分子间进行的，而前者则有明显的宏观移动。对流传热按产生流动的原因可分为受迫对流换热和自然对流换热，后者是指流体由于本身温度不均所形成的浮升力作用自发流动时的换热。显然，在电机内部流体的流动是受迫的（机内形成以风扇或转子压头为主要作用的通风系统）。流体静止状态是指流体对选用的坐标系没有相对运动。流体运动是指整个流体宏观机械运动，而不涉及分子及分子团的微观运动，因而在研究时引入了流体连续性的假定，即认为流体彼此之间没有空隙，是没有围观运动的无数流体质点所组成的连续介质。粘性流体运动时，由于粘性作用，形成了对流体运动的阻力，为了克服阻力，粘性流体就会损失部分机械能，该机械能与流体流动型态及特性有关。同一流体在同一管道，因流速不同，可形成两种性质完全不同的流动型态。层流，即液体质点互不混杂，形成层次分明的流动型态；湍流，也称为紊流，即流体质点互相混杂，形成紊乱的流动型态。两种型态转换时的流动速度称为临界速度，并把层流变成湍流时的速度成为上临界流速，用符号表示；把湍流变成层流时的速度称为下临界流速，用符号表示。实验证明，上临界流速大于下临界流速，工程中一般所称的临界流速都是指下临界流速。为了进行流动型态分析，我们利用量纲分析法可得量纲关系式式中雷诺数。流体流速，m/s。运动粘度，动力粘度与密度。流体外壁特征尺寸，m。与下临界流速对应的成为下临界雷诺数。简单的判别流动型态的方法为：当时，流动应为湍流。在实际工程中，一般遇到的多数是湍流。