PDF《防爆型水冷电机内换热与温度场计算》

2 水冷电动机发热与传热仿真模型

211 YBCM1502 4电机的结构 YBCM1502 4采煤机用防爆型水冷电动机如图

1 所示.其截面结构示意图如图 2所示.电机定子外 壳设计了冷却水套 ,冷却水从入水口进入水套 ,依次 循环于所有水道中冷却整个电机.

212 发热计算模型 准确计算电机中的热源大小及其分布是其温度 场计算的基础.电机在运行中产生的损耗基本上都 要转变为热能而成为热源 ,电机的损耗一般可分为 : 基本铁耗、 铜耗、 附加损耗和机械损耗等. 铁耗分布决定于电机磁场分布 ,因此 ,计算电机 中的热源大小及其分布须计算其电磁场.考虑到铁 耗基本与温度无关 ,电磁场可不计与流体场、 温度场 耦合而独立计算.

21211 电磁场计算模型 电磁场求解区域为图 2除去冷却水套的内部区 域 ,共有五种媒介 :定转子叠片铁心、 定转子绕组、 槽楔、 定子槽绝缘和转子轴.其二维瞬态涡流方程可 表示为非线性方程和边界条件 Ω:

5 5x

1 μ 5A 5x +

5 5y

1 μ 5A 5y = - J +μ σ 5A 5t , Γ:Bn = 0. (1) 式中 :Ω为求解区域;

Γ为定子铁心外圆的边界;

J 为源电流密度;

A 为向量磁位. 212.

2 电磁场计算结果与分析 本模型 YBCM1502 4是四极三相异步电机 ,建模 时输入的实体模型参数为 :额定功率

40 kW;

额定电 压1140 V;

额定电流

2515 A;

额定转速

1 457 r/m in;

功率因数 0. 864;

额定效率 91183%. 根据以上数据、 材料属性和边界条件 ,加载电流 由有限元法拟合求得电机额定运行时 ,求解域上的 磁通密度分布云图如图 3所示.可以看出设计时使 定子轭部和齿部磁通密度较大 ,基本铁耗和附加损 耗也相对较大 ,有利于充分利用定子水套散热. 图3磁通密度分布云图 Fig.

3 D istribution nephogram of magnetic flux density

213 电机温度场计算模型 该防爆型水冷电机温度场求解区域为图 2所示 的区域 ,共有六种媒介 :叠片铁心、 绕组铜线、 不锈钢 水套、 非磁性槽楔、 定子槽绝缘、 空气隙和转子轴 ,对 其模拟和计算是基于以下假设得出的 [ 1,

2 ] . 1)把传导介质当作各向同性物质 ;

4 9

3 电机与控制学报第13卷2)定、 转子槽中绕组的匝间绝缘对传热的影响 归算到绕组的导热系数中 ,取其平均值 ;

3)转子鼠笼铜条与铁心的接触热阻忽略不计 ;

4)定、 转子间只通过气隙进行热交换 ;

5)不计热辐射作用.

21311 温度场与流体场耦合计算模型 考虑到空气隙流体温度与定转子温度场密切关 联 ,空气隙流体场应与温度场耦合计算.由傅里叶 热传导定律和牛顿冷却公式知 ,电机稳态运行时 ,其 二维稳态热传导方程可表示为 [3 ]

5 5x kx 5T 5x +

5 5y ky 5T 5y = - q. (2) 式中 : T为温度;

kx 、 ky 分别为 x、 y方向的导热系数;

q为发热率. 在忽略重力和浮力的情况下 ,可写出空气隙流 体二维稳态换热控制方程 ,即5u 5x + 5v 5y = 0, (3) 5(ρ uu) 5x + 5(ρ uv) 5y =

5 5x μ 5u 5x +

5 5y μ 5u 5y - 5p 5x , (4) 5(ρ vu) 5x + 5(ρ vv) 5y =

5 5x μ 5v 5x +

5 5y μ 5v 5y - 5p 5y , (5) 5(ρ uT) 5x + 5(ρ vT) 5y =

5 5x λl cp 5T 5x +

5 5y λl cp 5T 5y . (6) 式中 : u和 v为速度矢量在 x和 y方向上的分量;

ρ 为流体密度;

μ为动力粘度;

p为流体压力;

cp 为空 气比热容;

T为流体温度;

λl 为流体的导热系数.