基于Fluent对一种同步电动机的温度场进行优化

图 4 加通风口的模型图
剩余模拟步骤如上模型。得到的结果分析如下： 对两种方案模型同样截取 X=0 截面查看其温度场分布图如图 5、图 6，从两图中可以 看出转子线圈温度虽然高于定子线圈温度，但是差值明显缩小，这能有效的利用线圈的绝 缘材料属性。同时，在图 5 中 Case 2 转子部件最高温度由 109°C 下降到 106°C，降低了 2.8%。在图 6 中 Case 3 转子部件最高温度由 106°C 下降到 103°C，又降低了 2.8%，比 最初的设计最高温度降低了 5.5%。
Temperature Field Optimization of a Synchronous Motor by using Fluent
[Zhou wanli , Qian hongyu] [TECO Group Science-Technology（HangZhou）Co.Ltd, 310013]
图 1 同步电动机简化模型
图 2 模型网格图
2.4 同步电动机网格模型边界条件
该模型的边界条件如下：
(1) 进口压力边界条件； (2) 出口压力边界条件； (3) 环境温度为 28°； (4) 对称截面给定对称边界条件； (5) 转速为 188rpm； (6) 定子线圈等效绝缘间隙为 1.33mm (7) 转子线圈等效绝缘间隙为 3.74mm (8) 各发热源热流密度如下表。
[ Abstract ] Fluent software is utilized to simulate the temperature field distribution of a synchronous motor in this paper. Comparing with the prototype, core length of the optimized motor decreases about 18% for cost down based on electrical design, and ventilation holed are added in frame .Finally, the maximum temperature decreases about 5.5%; and the temperature difference between stator slot and rotor slot decreases 10K which can satisfy insulation class F and class B inspection requirements of the motor. [ Keywords ] synchronous motor ; temperature field distribution ; optimization analysis.
(2-2)
式中 qv 为内部发热源的热流密度； 1 为第 1 类边界条件的物体边界， Tw 为已知壁面 温度；n 为第 2 类边界条件垂直于界面 2 的热传导率， q0 为通过界面 2 的热流密度；n 为第 3 类边界条件垂直于界面 3 的热传导率，h 为在界面 3 与物体接触的冷却介质的换热 系数， T f 为在界面 3 与物体接触的冷却介质的温度。
基于 Fluent 对一种同步电动机的温度场进行优化
[周万里，钱红玉] [东元总合科技(杭州)有限公司，310013]
[ 摘 要 ] 对一种同步电动机，本文利用 Fluent 分析其温度场分布。为了降低生产成本，基于电设分析 后，减少其铁心长度 18%，并增加框架上通风孔，再利用 Fluent 对其优化分析温度场，最终 最高温度降低 5.5%， 定转子线圈温差缩小 10K， 同时温升都能满足该电机的 F 级绝缘 B 级考核 要求。 [ 关键词 ] 同步电动机；温度场；优化分析
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前言
电机的容量越大，电机运行的经济性能越好。大容量的电动机结构复杂，造价高昂， 出现故障后容易造成巨大的经济损失。影响电机安全运行的因素主要分为两种[1,2]，温度和 电磁力。而对于大多数异常工况而言，对电动机构成威胁的主要因素是过热。这是由以下 两个方面决定的： (1) 温度过高会影响绝缘寿命；
(2) 电机内各种金属材料的强度和硬度随着温度的身高而下降，从而使得性能曲线下 移，进而影响到电机的安全运行。 目前大型同步电动机一般均采用空气进行通风冷却。由于电机传热问题的复杂性，在 工程实践中使用的传统的办法为等效热路法，但准确性较差，只能估算绕组和铁芯的平均 温度，无法及时全面了解电机内温度的分布情况以及过热点的区域数值。而 Computational Fluid Dynamics (CFD)可以为电动机设计、改进提供更详细更准确的电机内的温度场分布情 况。 本文基于 Ansys Fluent 软件对容量为 500KW 的一种同步电动机进行温度场分析， 该电 机绝缘等级要求为 F 级绝缘 B 级考核即绕组温升限值 100K，80K 考核。
对该模型截取 X=0 截面查看其温度场分布如图 3，转子部件温度明显高于定子部件温 度。同时取出定转子线圈的最高温升值如表 2。由表 2 可以看出转子线圈温升比定子线圈 温升高近 20K。虽然线圈满足 F 级绝缘 B 级考核要求，但巨大的温差不利于有效利用定转 子绕组绝缘特性。 因此需对该同步电动机设计进行优化。
图５Case 2
X=0 截面温度分布图
图６Case 3
X=0 截面温度分布图
同时取出定转子线圈的最高温升值如表 3。从表 3 中可以看出，优化后的模型定转子 线圈温升差值降低了 10K，同样满足该电机的 F 级绝缘 B 级考核要求。 因此，说明该优化设计在降低成本方面是有效可靠的。
表 3 定转子线圈最高温升
图 3 同步电动机 X=0 截面温度分布图 表 2 定转子线圈最高温升
最高温升（K） 定子线圈直线段 定子线圈端部 转子线圈 59.9 56.1 78.8
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同步电动机优化后温升分析
基于电设计优化其结构，提出如下两种方案： (1) Case 2：电机铁心长度缩短 18%； (2) Case 3：在 Case 2 基础上在定子绕组上方与定子铁心上方框架区域建立通风孔， 如图４。
case 2 定子线圈直线段 定子线圈端部 转子线圈 72.8 69.9 78.0
Case 3 69.0 66.6 74.6
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结论
基于以上的分析可以得出，该种同步电动机在铁心长度缩短的情况下，可以使最高温 度降低 2.8%，同时缩小定转子线圈温差，再此基础上在合适的位置开通风孔，可以使最高 温度再降低 2.8%，同时都能满足该电机的 F 级绝缘 B 级考核要求。通过 Fluent 软件，可以 在不用做样机的情况下快速而准确的找到优化电机性能以及成本的方法。
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同步电动机温度分析
2.1 热传导方程
根据传热学理论 ，在直角坐标系下稳定运行的电动机三维热传导方程为：
[3]
T T T (k x ) (k y ) (k z ) qv ( x, y, z ) 0 x x y y z z
边界条件为：
(2-1)
T 1 Tw T n 2 q 0 n T n h(T T f ) 3 n 3
[参考文献] [1] 丁舜年主编，大型电机的发热与冷却[M]，北京：科学出版社，1992 [2] 魏永田等著，电机内热交换[M]，北京：机械工业出版社，1998 [3] 杨世铭，陶文铨，传热学(第三版)[M]，北京：高等教育出版社，1998
表 1 各发热源热流密度
定子铁芯齿部 定子线圈直线段 定子线圈端部 定子铁芯轭部 转子线圈 转子阻尼棒 转子阻尼环 转子极靴
热流密度（W/m ） 119787.6 88773.0 91267.1 15172.8 239622.4 448631.3 323599.0 746906.6
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2.5 同步电动机模拟温度分析
2.2 同Leabharlann 电动机物理模型由于同步电动机结构的复杂，结合电机本身特性，对该电动机进行简化，取 1/16 模型 进行模拟，用 CATIA 建立如图 1 模型。
2.3 同步电动机网格模型
采用 gambit 对该模型进行网格划分，由于进口跟出口是给定远场压力边界条件，因此 区域需要往外延伸，网格模型图如下图 2。整体网格数为 450 万个。