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文檔簡介
1、僅供個人參考電機通風散熱計算簡介一、電機通風散熱計算目的和意義電機通風散熱計算是電機設計的主要內(nèi)容之一。 電機溫升直接影響繞組絕緣壽命,從而關(guān)系到電機的運行壽命和可靠性。 現(xiàn)代電機設計多采用較高的電磁負荷,導致電機運行時的溫升明顯增大,因此,電機熱分析顯得尤為重要。電機的熱源來源于它自身的損耗,包括鐵芯損耗,繞組損耗,機械損耗。鐵芯損耗包括鐵芯中主要磁場變化時產(chǎn)生的鐵芯損耗,這種損耗一般稱為基本損耗。包括定轉(zhuǎn)子開槽引起氣隙磁導諧波磁場在對方鐵芯中引起的損耗,以及電機帶負載后,由于存在漏磁場和諧波磁場而產(chǎn)生的損耗。前者稱為空載附加損耗,后者稱為負載附加損耗。 繞組損耗包括電流在繞組中產(chǎn)生的損耗,
2、這種損耗為基本銅耗。包括電刷與集電環(huán)或換向器接觸而產(chǎn)生的損耗,以及工作電流產(chǎn)生的漏磁場和諧波磁場在繞組中產(chǎn)生的損耗,前者稱為接觸損耗, 后者稱為繞組附加銅耗。機械損耗包括軸承波擦損耗,電刷摩擦損耗, 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時引起轉(zhuǎn)自表面與氣體間的摩擦損耗以及電機同軸的風扇所需的功率。一般小型電機損耗所占比重:定子銅耗 >轉(zhuǎn)子銅耗 >鐵耗 >機械損耗。電機本身是一個熱源的傳導體, 其熱量傳遞過程主要是熱傳導和對流換熱過程,即導熱和對流的綜合過程。 由傳熱的基礎知識可知, 上述過程與介質(zhì)的導熱系數(shù)和表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)直接有關(guān)。 導熱系數(shù)適當溫度梯度為 1 時,單位時間內(nèi)通過單位面積的導熱量。 導熱系
3、數(shù)的大小與材料的性質(zhì)有關(guān), 同一材料的導熱系數(shù)隨溫度,壓力,多孔性和均勻性等因素而變化。通常溫度是決定性因素。對于絕大多數(shù)物質(zhì)而言, 當材料溫度尚未達到融化或氣化以前, 導熱系數(shù)可以近似地認為是線性規(guī)律變化,即:0 (1 bt ) 。其中0 指溫度為零時的導熱系數(shù)b 是由試驗確定的常數(shù)。氣體固體液體的導熱系數(shù)彼此相差懸殊。 一般情況下金屬 >液體 > 氣體 >絕緣材料。For personal use only in study and research; not for commercial use由上述內(nèi)容可知大型電機本身是一個由多種材料組合而成的組合體, 它的發(fā)熱過程較
4、復雜, 因而它的溫升過程也較復雜, 但在一定的容量下, 各部分的溫升是一定的,溫度分布也是一定的。 對電機的穩(wěn)態(tài)溫度場計算的目的就是核算電機中各發(fā)熱部件在穩(wěn)定運行時的溫升情況; 對電機的瞬態(tài)溫度場計算的目的是為了核算電機的瞬態(tài)最高溫度是否超過材料所允許的限度。 由于局部部件發(fā)熱, 電機中常用的銅、鋁、合金鋁、銀銅和釬焊材料等金屬材料的強度和硬度會逐步下降,從而引起結(jié)構(gòu)部件嚴重變形, 導致機組振動危及電機運行安全。 正確研究和計算電機各部件溫升情況, 不僅可以優(yōu)化電機設計, 還為今后電機高效、 安全運行奠定了堅實的基礎。二、行業(yè)內(nèi)通風散熱設計與計算發(fā)展現(xiàn)狀通風散熱設計現(xiàn)狀目前,主流的電機冷卻方式
5、種類較多,從總體結(jié)構(gòu)上分,主要有水氫冷,全氫冷,雙水內(nèi)冷及全空冷。從定子通風結(jié)構(gòu)又分單風區(qū),多風區(qū),正向通風與逆不得用于商業(yè)用途僅供個人參考向通風等不同結(jié)構(gòu)。 而轉(zhuǎn)子繞組內(nèi)冷通風結(jié)構(gòu)則有氣隙取氣斜流通風, 附槽進風的軸徑向混合通風, 附槽進風的全徑向通風等方式。 勵磁繞組端部的冷卻又分為軸向內(nèi)冷,軸向 +補風(所謂一路半通風) ,繞組間外冷(采用隔塊形成風路) 。具體設計時需根據(jù)產(chǎn)品容量, 電壓等級, 轉(zhuǎn)速,絕緣等級及用戶特殊要求等因素綜合考慮其冷卻方式的選擇。 而最近,蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)成為了新興的冷卻方式之一,值得關(guān)注。1.定子定子三風區(qū)通風結(jié)構(gòu)通風原理簡述定子鐵心分為三個風區(qū), 其中二風區(qū)處于
6、定子中段, 為進風區(qū),一三風區(qū)處于定子兩端,為出風區(qū)。電機內(nèi)的冷卻空氣由安裝在軸兩端的軸流式風扇來驅(qū)動循環(huán)??諝饨?jīng)過風扇加壓后主要分為兩路, 一路經(jīng)過氣隙進入一三風區(qū)的定子鐵芯風溝,冷卻一三風區(qū)鐵芯后通過機座進入冷卻器。 另一路氣體吹拂定子端部線圈后通過引風筒進入二風區(qū)鐵芯風溝, 冷卻二分區(qū)鐵芯后進入氣隙, 經(jīng)氣隙進入一三風區(qū)定子鐵心風溝, 與從兩端氣隙進入的空氣一道冷卻一三風區(qū)鐵芯后通過機座進入冷卻器。定子蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)蒸發(fā)冷卻電機是基于沸騰換熱機理, 絕緣冷卻介質(zhì)依賴特定的冷卻循環(huán)回路對電機發(fā)熱體實現(xiàn)冷卻的。 一般電機結(jié)構(gòu)為定子鐵心采用全浸式, 繞組表面冷卻加內(nèi)冷蒸發(fā)冷卻。全浸式冷卻自循環(huán)原
7、理如圖所示。全浸式冷卻是將整個定子完全封閉在機殼內(nèi)腔體內(nèi), 腔內(nèi)的繞組,鐵芯和所有發(fā)熱部件被液態(tài)蒸發(fā)冷卻介質(zhì)充分全浸。 根據(jù)沸騰換熱機理, 定子腔內(nèi)的冷卻介質(zhì)受熱氣化后, 其密度小于純液態(tài)介質(zhì), 由于密度差在重力加速度作用下, 生成流動壓頭,含熱兩相介質(zhì)克服定子腔中的阻力壓降, 上升到系統(tǒng)中壓力較低的機座頂部冷凝器, 與冷凝器中二次冷卻水進行熱交換后以液滴的形勢下落, 重返釘子內(nèi),如此形成一個周而復始的蒸發(fā)冷卻自循環(huán)過程。在定子繞組及鐵心全浸式結(jié)構(gòu)基礎上增加定子繞組內(nèi)冷, 是因為內(nèi)冷是目前大容量機組普遍采用的一種更高效的冷卻方式, 它比全浸式冷卻效果更上一個臺階,但結(jié)構(gòu)要比全浸式的結(jié)構(gòu)復雜些。
8、內(nèi)冷式強迫循環(huán)原理如圖所示。不得用于商業(yè)用途僅供個人參考線棒為空實心股線組織而成,冷卻介質(zhì)依靠泵的動力在空心股線內(nèi)強迫循環(huán)。當發(fā)電機運行時, 因銅損耗引起繞組發(fā)熱, 空心股線中冷卻介質(zhì)在管內(nèi)不斷吸熱,所有空心股線內(nèi)冷通道出液口與壓力均衡相連, 使所有冷卻通道出液口的壓力差被壓力均衡器吸收, 從而使內(nèi)冷通道的介質(zhì)流量和壓力基本均衡。 在泵的驅(qū)使動力下,克服回路中的阻力壓降 (單向流動阻力, 兩相流動阻力和局部阻力)維持一定流量的循環(huán)。如此往復把熱量傳到外部。2.轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子軸向 -徑向通風軸向 -徑向通風是一種主要依靠外加高壓風扇來維持氣體在導體內(nèi)流動的通風方式。冷卻氣體(如氫氣)由轉(zhuǎn)子兩端護環(huán)下進
9、風孔進入導體軸向風道,經(jīng)轉(zhuǎn)子中部徑向風道由槽楔上的出風孔排至氣隙。 系統(tǒng)如圖。但這種方法冷卻氣體對轉(zhuǎn)子繞組的冷卻不均勻。槽底副槽通風這是一種自通風方式。冷卻氣體由轉(zhuǎn)子本體兩端的風扇送入轉(zhuǎn)子槽底副槽中,經(jīng)過轉(zhuǎn)子繞組上的一系列徑向直風道, 從轉(zhuǎn)子表面上的槽楔出風孔進入氣隙。優(yōu)點:槽楔加工,繞組沖制和定位均較簡單;轉(zhuǎn)子表面風磨損耗小,不需高壓風扇;轉(zhuǎn)子冷卻氣體直接來自風扇, 未經(jīng)定子加熱, 其溫度低于氣隙中冷卻氣體的溫度,冷卻效果好;繞組溫度不均勻度較低。但是,這種方法轉(zhuǎn)子本體需增加副槽,轉(zhuǎn)子利用率低,勵磁損耗大;進風面積有限,冷卻氣體流量不易分配均勻;副槽的存在削弱了齒根強度。系統(tǒng)如圖所示。氣隙取
10、氣斜流通風這種方法也是一種自通風方式。 冷卻氣體(氫氣)經(jīng)轉(zhuǎn)子表面的取風斗進入繞組一側(cè)通風溝, 最后經(jīng)轉(zhuǎn)子表面的出風孔排至氣隙。 此方法通風路徑短, 轉(zhuǎn)子中氣體流量約合轉(zhuǎn)子本體的長度成正比, 可提供盡量高的氣體流量, 散熱效果好,繞組溫升分布較均勻;轉(zhuǎn)子槽滿率高,風扇結(jié)構(gòu)簡單,加工方便運行可靠。但表不得用于商業(yè)用途僅供個人參考面和槽楔較復雜,金屬加工量大;線圈加工復雜;轉(zhuǎn)子表面風磨損耗大;進入轉(zhuǎn)子的冷卻氣體已被部分定子損耗所預熱,降低了轉(zhuǎn)子的冷卻效果。系統(tǒng)如圖。通風散熱計算方法研究現(xiàn)狀電機內(nèi)溫度的計算有兩個主要方法, 等效熱路法和溫度場法, 而溫度場法又分為等效熱網(wǎng)絡法和數(shù)值計算法, 數(shù)值計算
11、法包括有限差分法和有限元法。 等效熱路法是利用傳熱學和電路理論的相似性把溫度場簡化為帶有集中參數(shù)的熱路來進行計算,把分布的真實熱源和熱阻用集中的熱源和熱阻代替, 形成等效熱路。該方法能夠準確描述電機的實際模型, 物理意義明確, 計算量相對較小, 曾經(jīng)得到廣泛應用,但該方法不能很好的確定電機各部件溫度的實際分布情況, 只能近似估算繞組的平均溫升, 無法得出某一點的具體溫升。 等效熱網(wǎng)絡法是應用圖論原理,通過網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)進行熱分析的一種方法。 它實質(zhì)是把熱路法的參數(shù)和熱源進行局部分布參數(shù)化。 數(shù)值計算方法是求解溫度場的常用方法, 主要包括有限差分法和有限元法等。 有限差分法不足之處是, 由于采用
12、的是直交網(wǎng)格, 因此對于邊界形狀復雜的區(qū)域和第二類邊界條件及內(nèi)部介質(zhì)界面的處理比較困難。有限元法是當今科學技術(shù)發(fā)展和工程分析中獲得最廣泛應用的數(shù)值計算方法, 由于它的通用性和有效性, 受到工程技術(shù)界的高度重視, 伴隨著計算機科學和技術(shù)的快速發(fā)展,現(xiàn)已成為計算機輔助工程和數(shù)值仿真的重要組成部分。采用 CFD 方法分析發(fā)電機內(nèi)氣體流動與傳熱問題是比較主流的方法。國際上主流 CFD 軟件都具有豐富的物理模型,先進的數(shù)值計算方法和強大的后處理功能, CFD 軟件充分利用當代流體與傳熱等知識庫,以巨量的計算為依托,對流動與傳熱過程進行全方位的計算機數(shù)值模擬,這很大程度上彌補了傳統(tǒng)計算方法中簡化過多的缺點
13、。大部分CFD 軟件都能進行二維,三維流場和溫度場的計算。在流場計算的基礎上, 再進行傳熱計算, 軟件中提供了豐富的傳熱模型供選擇如自動對流,強迫對流,流體與固體的耦合傳熱,固體的熱傳導和輻射等。ANSYS Fluent 軟件是世界一流的 CFD 分析軟件廣泛應用于航空航天,軍事工業(yè),石油化工等行業(yè)。 Fluent 軟件是一種基于有線體積法,對求解問題在滿足質(zhì)量守恒,動量守恒和能量守恒的基本物理方程進行求解計算。電機的物理,數(shù)學模型相當復雜,用 CFD 軟件內(nèi)的系列模型選項來確定,在選擇模型時分析者需對所分析的物理過程有清楚的認識, 如問題的主要物理過成, 主要邊界條件及某些量的預先估值范圍等
14、。三、電機通風散熱計算的計算內(nèi)容下面以二維溫度場的數(shù)值計算為例簡述計算過程。1. 求解域模型的建立普通中小型籠型感應電機普遍采用全封閉外置風扇冷卻結(jié)構(gòu), 內(nèi)部無通風系統(tǒng)。一般情況下, 可以將三維溫度場問題轉(zhuǎn)化為二維溫度場問題求解分析,從而不得用于商業(yè)用途僅供個人參考簡化計算難度和節(jié)省計算時間,并且能夠滿足工程需要。為建立該電機二維溫度場模型, 做以下假設和等效:(1)電機沿軸向的熱流密度為零( 2)機座的散熱效果近似用等效散熱翅體現(xiàn)( 3)轉(zhuǎn)子鐵心和轉(zhuǎn)軸之間沒有熱傳導??紤]到定子鐵心外表面和機殼內(nèi)表面實際加工安裝尺寸, 定子鐵心和機殼間產(chǎn)生很小的裝配間隙。 由于空氣的導熱系數(shù)很小, 因此間隙溫
15、度降不可忽略。對于各向同性媒質(zhì), 導熱系數(shù)為常數(shù), 在直角坐標系下的二維穩(wěn)態(tài)熱傳導方程為2T2Tqv ,式中 T 為溫度 為導熱系數(shù) qv為熱源密度。2y2機殼表面通過對流散熱,給出第三類邊界條件T n(TTf ) 0,式中n 為機殼表面單位法向矢量, 為散熱系, Tf 為環(huán)境溫度數(shù)。根據(jù)假設條件( 3),對轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)表面給出第二類邊界條件T e0 式中e 為單位法向矢量。求解域內(nèi)二維溫度場邊值問題為2T2TqVx2y2Tl10nT |(TT)n l2,l3f推到化間得J(T )1 (T ) 2(T ) 2 dSTqV dS1(T 2Tf )TdL min2DxyD2l2 ,l 3式中 D 為
16、求解域。當取極值時,即J0時,可知 KT=F ,式中, T 為求解域內(nèi)全部節(jié)點溫T度所形成的溫度列陣; K 和 F 分別為總體系數(shù)矩陣和總體右端列矢量。再將邊界條件代入上式修改, 最終獲得一個線性方程租, 解此方程組即可得到各個節(jié)點的溫度值。2. 定子繞組等效溫度模型的建立對散下線的定子繞組, 導線在槽內(nèi)的排列極不規(guī)則為簡化分析, 對釘子操作如下假設: 1.槽內(nèi)各個導線均勻排列, 溫差忽略不計。 2.銅線的絕緣漆分布均勻。3.繞組絕緣漆完全填充。在上述假設條件下, 可將槽內(nèi)的全部銅線等效的看做一個導熱體, 槽內(nèi)所有絕緣材料等效為另一個導熱體。 銅棒位于槽的中心, 周圍與槽壁平行, 等效后的絕緣
17、均勻的分布在銅棒周圍。槽內(nèi)絕緣材料的等效熱導系數(shù)計算如下不得用于商業(yè)用途僅供個人參考nneqi / (i / i ) , eq 為槽內(nèi)絕緣材料的等效熱導系數(shù),i 為各種絕緣材料i 1i 1的等效厚度,i 為各種絕緣材料的平均導熱系數(shù)。3. 氣隙的處理計算定轉(zhuǎn)子全域溫度場時, 需要對氣隙進行特殊處理。 轉(zhuǎn)自的旋轉(zhuǎn)帶動氣隙中空氣的流動, 使得定子與氣隙間以及轉(zhuǎn)子與氣隙之間主要以對流方式換熱, 導致了溫度場與流體場耦合在一起, 增加了求解電機溫度場的難度。 為簡化計算分析,引入有效導熱系數(shù), 它使用靜止流體的導熱系數(shù)來描述氣隙中流動空氣的熱交換能力,即單位時間內(nèi)靜止流體在定轉(zhuǎn)子之間所傳遞的熱量和流動
18、空氣所傳遞的熱量相等, 這樣可把旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子視為靜止不動處理。 這樣,可以用到熱方式換熱的效果等價氣隙中對流方式換熱的效果。有效導熱系數(shù)可按下述方法求取。假設定子內(nèi)表面和轉(zhuǎn)子外表面為光滑圓柱面,則氣隙中的雷諾數(shù)可表示為Re1, 式中1 為轉(zhuǎn)子的圓周速度, n 為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速, r0 為轉(zhuǎn)子外徑, Ri 為轉(zhuǎn)v子內(nèi)經(jīng),為空氣的運動粘度。臨近雷諾數(shù)Recr 的表達式為 Recr41.2 Ri /。當 ReRecr ,氣隙中的空氣流動為層流,有效導熱系數(shù)eff 等于空氣導熱系數(shù)。當 ReRecr 氣息中的空氣流動為紊流, 這種狀態(tài)下,氣隙的有效熱導系數(shù)可用下式計算eff0.0019-2.9084Re0.4
19、614ln(3.3361) 其中r0 / Ri 。4. 機殼表面散熱系數(shù)的確定機殼表面有散熱翅和接線盒兩部分組成,相應的,表面散熱系數(shù)分兩部分求取。由于電機端部外置風扇作用,電機表面散熱翅風溝內(nèi)的空氣具有很大的風速,為強制對流換熱, 輻射散熱的影響可以忽略。電機表面散熱系數(shù)可用下時求出 9.73 14v0.62 ,其中 v 為散熱翅間空氣流速。由于接線盒的存在,接線盒不為區(qū)域的風速為零, 自然對流散熱和輻射散熱對電機冷卻起主要作用, 可用自然對流散熱系數(shù) 0 乘以修正系數(shù)表征對流和輻射的綜合作用效果。5. 熱源的確定電機運行過程中, 必然要產(chǎn)生相應的損耗, 這些損耗轉(zhuǎn)換成熱, 通過電機各部件與
20、周圍環(huán)境進行熱交換, 最終達到熱平衡。 準確計算電機各部分損耗是準確計算電機溫度場的前提。根據(jù)電機學原理,電機總損耗由下式計算:PPPPPP1cualFe式中: Pcu 是定子銅耗, Pal 是轉(zhuǎn)自鋁耗, PFe 是鐵耗, P 是機械損耗, P 是雜散不得用于商業(yè)用途僅供個人參考損耗。鐵耗分成齒部損耗和軛部損耗; 由于轉(zhuǎn)差頻率很低, 計算過程中不考慮集膚效應對導條鋁耗分布的影響, 以及轉(zhuǎn)子鐵耗忽略不計。 這些損耗通過電磁計算程序和相關(guān)經(jīng)驗公式求取。 求解電機溫度場時將電機各部分損耗 (以熱密的方式) 施加到電機的有限元求解模型中,作為溫度場計算的熱源。以上為學生對電機通風發(fā)熱計算的基本了解,如有不足請老師
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