高速隐极电动机不同转子端部结构流动与传热耦合计算.pdf
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1、67高速隐极电动机不同转子端部结构流动与传热耦合计算杨燕王超周光厚东方电气集团东方电机有限公司,四川 德阳618000摘要:本文阐述高转隐极电动机在不同转子端部结构下转子流动特性和传热特性。针对某大型高速隐极电动机,通过有限体积法对电动机稳态运行时的三维流场和温度场进行耦合求解,研究转子端部通风结构对转子流场、温度场特征的影响关系,分析得到不同转子端部结构下转子各个风沟流量分布、转子风道静压分布以及转子通风沟的散热系数和温升分布情况。本文的研究成果,可进一步了解同类电动机转子通风结构的特点,为后续更多的高速隐极电动机通风结构设计奠定基础。关键词:高速隐极电动机;转子端部结构;计算流体力学;耦合
2、计算中图分类号:TM303.6文献标识码:A文章编号:1001-9006(2023)02-0067-07Coupling Calculation of Flow and Heat Transfer in Different Rotor endStructures of High-speed Hidden Pole MotorYANG Yan,WANG Chao,ZHOU Guanghou(Dongfang Electric Machinery Co.,Ltd.,618000,Sichuan,Deyang,China)Abstract:This paper describes the rotor
3、 flow characteristics and heat transfer characteristics of high-speed hidden polemotor under different rotor end cooling structures.For a large-scale highspeed hidden pole motor,the three-dimensionalflow field and temperature field of the motor during steady-state operation are solved by the finite
4、volume method.Theinfluence of the rotor end ventilation structure on the characteristics of the rotor flow field and temperature field is studied.The flow distribution of each rotor duct,the static pressure distribution of the rotor duct,the heat dissipation coefficient andtemperature rise distribut
5、ion of the rotor ventilation duct under different rotor end structures are analyzed and obtained.The research results understanding the characteristics of rotor ventilation structure of similar motors further,and arereference for more ventilation structure design of high-speed hidden pole motor in t
6、he future.Key words:high-speed hidden pole motor;rotor end cooling structure;computational fluid dynamics;coupling calculation1收稿日期:2023-03-20作者简介:杨燕(1988),女,2015 年毕业于重庆大学动力工程与工程热物理专业,硕士研究生,工程师。现在东方电气集团东方电机有限公司研究试验中心工作,主要从事电机通风冷却计算分析工作。随着各行业加速产能置换转型升级,对大功率同步电动机的要求越来越高。空冷电动机具有结构简单、维护费用低以及安全系数高等特点,因此在
7、技术可行的前提下,现代用户更倾向于选用空冷产品。随着容量的增加,电动机散热问题变得尤为突出,通风冷却系统的合理设计显得特别重要。对于高速隐极电动机,其转子具有外径大、电密高等特点,导致转子线圈端部风路较长,冷却比较恶劣,因此有必要对电动机转子通风结构和散热特性进行研究。高速隐极电动机与小型汽轮发电机具有类似的设计参数和结构特点,小型汽轮发电机的相关研究可以为高速隐极电动机转子线圈散热特性研究提供较好的基础1-3。电动机转子的旋转运动会给实验测量带来很大不便,限制了实验测量法在电动机转子流场研究方面的应用4;在计算机模拟仿真方68面,转子通风结构的完整性直接影响着最后的计算结果,而现有技术多采用
8、简化的不完整模型,计算域有限,得到的计算结果也有限5-6。高速隐极电动机采用副槽通风的冷却方式对转子线圈直线段进行冷却。对于转子端部通风结构,选择的方式有:单路+小齿孔;单路+小齿月牙槽;两路+小齿孔;两路+小齿月牙槽;考虑到高速隐极电动机较常规汽轮发电机转子直径更大,转速变化范围广,高速隐极电动机转子冷却结构的定型需要充分的计算分析和试验研究。本文主要针对不同转子端部通风结构,建立转子全流域计算模型,分析得到不同转子端部结构下转子各个风沟流量分布、转子风道静压分布以及转子通风沟的散热系数和温升分布情况。1转子通风系统物理和数学模型1.1 物理模型高速隐极电动机在风扇和转子自身旋转产生的压头作
9、用下,一部分冷却介质从转子护环与转子转轴间空隙流入电动机转子线圈端部和直线段,冷却转子线圈后进入气隙;另一部分冷却介质直接流入气隙,然后从定子风沟流出;第三部分冷却介质对定子端部进行冷却后通过压圈和机座端部环板间隙流出,如图1。图 1电动机通风系统示意图高速隐极电动机主体结构见图2。图 2高速隐极电动机主体结构三维模型电动机采用副槽通风的冷却方式对转子线圈直线段进行冷却,冷却介质进入转子本体的副槽,通过与副槽连接的径向通风道将冷却介质引至转子线圈的直线部分,冷却介质沿轴向直线内冷风道流过一定距离后再由径向出风道排至气隙。计算域包含半轴向段的 1/4圆(一个极)物理模型,其中转子端部冷却包括单路
10、和两路通风方式,如图3和图4所示,转子沿Z轴正轴方向旋转,分别对转子小齿、大齿和副槽进行编号,R1#R4#为迎风侧,L1#L4#为逆风侧,其中小齿R4#和L4#风道处于极间,计算时只考虑了半个风道。图 3转子端部单路冷却方式图 4转子端部两路冷却方式对转子端部线圈和线圈直线段进行编号,R1#R4#为迎风侧,L1#L4#为逆风侧,如图5所示。图 5转子线圈编号1.2 数学模型在求解转子流体流动物理模型时,需要利用质量守恒方程来进行控制,对于不可压缩流体的质量守恒方程7为:690ut式中:为流体密度,kg/m3;t 为时间,s;u为流体的速度矢量。动量守恒方程7:uupFtu23式中:F 为流体受
11、到的质量力,N;p 为流体压力,N;为流体的粘性系数。当流体不可压缩且稳定流动时,根据电机转子的流场特性,选用两方程 RNG-湍流模型8,其通用方程为:SgraddivVdivt式中:、V 为通用变量;为扩散系数;S 为源项;为流体密度,kg/m3。在求解温度过程中,还需要满足能量守恒方程9:TSgardTuT式中:u为流体的速度矢量;为扩散系数;ST为流体内热预源及由粘性作用导致流体机械能转换成热能的部分。三维热传导方程:式中:kx,kv,kz分别是 x、y、z 方向的导热系数,W/(mK);T 为温度;q 为内部热源密度,W/m3。1.3 基本假设与边界条件基本假设:忽略重力和浮力的影响;
12、电机中流体雷诺数大于 2 300,属于湍流,因此采用湍流模型进行流场求解;电机中流体雷流速远小于声速,流体看作不可压缩;电机中流体流动认为是定常流动,即各个方程不含有时间项;考虑电机中流体物性参数变化对转子温升的影响。电机转子流体流动和传热是在非常复杂的情况下进行的,根据其结构、流体流动和传热的特点,给出其边界条件为:冷却介质在转子流道内流动的动力主要来自于转子自身的旋转,模型中设置进口面为压力进口;实际计算时利用 Fluent_UDF实现定转子铜线损耗随温度变化的迭代求解;转子端部以及气隙均采用旋转周期边界条件;模型的进口风温设定为 40。2流场和温度场耦合计算结果及分析采用有限元法对电机转
13、子通风系统进行三维耦合计算,并对计算结果进行分析。2.1 流场计算结果利用 CFD 方法对高速隐极电动机不同转子端部通风结构进行计算,获得各部分的风量分配数据如表 1 所示。可以看出,无论单路还是两路通风方式,月牙槽结构的总风量都比孔结构的风量大,这是由于月牙槽结构的风阻比孔结构的风阻小,依靠转子端部旋转产生的压头能够驱动更多的空气流动。表 1转子风量分配m3/s转子部位单路孔单路月牙槽两路孔两路月牙槽总风量2.622.894.555.56大齿风量-1.531.65小齿风量0.630.940.761.47副槽风量1.991.952.262.44在单路通风方式下,月牙槽结构的转子总风量比孔结构大
14、 10.3%,月牙槽结构的转子小齿风量比孔结构大 49.2%,月牙槽结构的转子副槽风量比孔结构小 2.0%。在两路通风方式下,月牙槽结构的转子总风量比孔结构大 22.2%,月牙槽结构的转子大齿风量比孔结构大 7.8%,月牙槽结构的转子小齿风量比孔结构大 93.4%,月牙槽结构的转子副槽风量比孔结构大 8.0%。对于小齿采用孔结构,两路通风方式的转子总风量比单路通风方式大 73.7%,两路通风方式的转子小齿风量比单路通风方式大 20.6%,两路通风方式的转子副槽风量比单路通风方式大 13.6%。对于小齿采用月牙槽结构,两路通风方式的转子总风量比单路通风方式大 92.4%,两路通风方式的转子小齿风
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