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电机通风散热计算简介一、 电机通风散热计算目的和意义电机通风散热计算是电机设计的主要内容之一电机温升直接影响绕组绝缘 寿命，从而关系到电机的运行寿命和可靠性现代电机设计多采用较高的电磁负 荷，导致电机运行时的温升明显增大，因此，电机热分析显得尤为重要电机的热源来源于它自身的损耗，包括铁芯损耗，绕组损耗，机械损耗铁 芯损耗包括铁芯中主要磁场变化时产生的铁芯损耗，这种损耗一般称为基本损 耗包括定转子开槽引起气隙磁导谐波磁场在对方铁芯中引起的损耗，以及电机 带负载后，由于存在漏磁场和谐波磁场而产生的损耗前者称为空载附加损耗， 后者称为负载附加损耗绕组损耗包括电流在绕组中产生的损耗，这种损耗为基 本铜耗包括电刷与集电环或换向器接触而产生的损耗，以及工作电流产生的漏 磁场和谐波磁场在绕组中产生的损耗，前者称为接触损耗，后者称为绕组附加铜 耗机械损耗包括轴承波擦损耗，电刷摩擦损耗，转子旋转时引起转自表面与气 体间的摩擦损耗以及电机同轴的风扇所需的功率一般小型电机损耗所占比重： 定子铜耗＞转子铜耗＞铁耗＞机械损耗电机本身是一个热源的传导体，其热量传递过程主要是热传导和对流换热过 程，即导热和对流的综合过程。

由传热的基础知识可知，上述过程与介质的导热 系数和表面传热系数直接有关导热系数适当温度梯度为 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，同一材料的导热系数随 温度，压力，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融化或气化以前，导热系数可以近似地认为 是线性规律变化，即：九二九（1+bt）其中九指温度为零时的导热系数b是由试 0 0验确定的常数气体固体液体的导热系数彼此相差悬殊一般情况下金属〉液体〉 气体〉绝缘材料由上述内容可知大型电机本身是一个由多种材料组合而成的组合体，它的发 热过程较复杂，因而它的温升过程也较复杂，但在一定的容量下，各部分的温升 是一定的，温度分布也是一定的对电机的稳态温度场计算的目的就是核算电机 中各发热部件在稳定运行时的温升情况；对电机的瞬态温度场计算的目的是为了 核算电机的瞬态最高温度是否超过材料所允许的限度由于局部部件发热，电机 中常用的铜、铝、合金铝、银铜和钎焊材料等金属材料的强度和硬度会逐步下降， 从而引起结构部件严重变形，导致机组振动危及电机运行安全正确研究和计算 电机各部件温升情况，不仅可以优化电机设计，还为今后电机高效、安全运行奠 定了坚实的基础。

二、 行业内通风散热设计与计算发展现状通风散热设计现状目前，主流的电机冷却方式种类较多，从总体结构上分，主要有水氢冷，全 氢冷，双水内冷及全空冷从定子通风结构又分单风区，多风区，正向通风与逆 向通风等不同结构而转子绕组内冷通风结构则有气隙取气斜流通风，附槽进风 的轴径向混合通风，附槽进风的全径向通风等方式励磁绕组端部的冷却又分为 轴向内冷，轴向+补风（所谓一路半通风），绕组间外冷（采用隔块形成风路） 具体设计时需根据产品容量，电压等级，转速，绝缘等级及用户特殊要求等因素 综合考虑其冷却方式的选择而最近，蒸发冷却系统成为了新兴的冷却方式之一， 值得关注1. 定子定子三风区通风结构通风原理简述定子铁心分为三个风区，其中二风区处于定子中段，为进风区，一三风区处 于定子两端，为出风区电机内的冷却空气由安装在轴两端的轴流式风扇来驱动 循环空气经过风扇加压后主要分为两路，一路经过气隙进入一三风区的定子铁 芯风沟，冷却一三风区铁芯后通过机座进入冷却器另一路气体吹拂定子端部线 圈后通过引风筒进入二风区铁芯风沟，冷却二分区铁芯后进入气隙，经气隙进入 一三风区定子铁心风沟，与从两端气隙进入的空气一道冷却一三风区铁芯后通过 机座进入冷却器。

定子蒸发冷却系统蒸发冷却电机是基于沸腾换热机理，绝缘冷却介质依赖特定的冷却循环回路 对电机发热体实现冷却的一般电机结构为定子铁心采用全浸式，绕组表面冷却 加内冷蒸发冷却全浸式冷却自循环原理如图所示J榕却空间及介应「能子线棒=•隔离歪冏全浸式冷却是将整个定子完全封闭在机壳内腔体内，腔内的绕组，铁芯和所 有发热部件被液态蒸发冷却介质充分全浸根据沸腾换热机理，定子腔内的冷却 介质受热气化后，其密度小于纯液态介质，由于密度差在重力加速度作用下，生 成流动压头，含热两相介质克服定子腔中的阻力压降，上升到系统中压力较低的 机座顶部冷凝器，与冷凝器中二次冷却水进行热交换后以液滴的形势下落，重返 钉子内，如此形成一个周而复始的蒸发冷却自循环过程在定子绕组及铁心全浸式结构基础上增加定子绕组内冷，是因为内冷是目前 大容量机组普遍采用的一种更高效的冷却方式，它比全浸式冷却效果更上一个台 阶，但结构要比全浸式的结构复杂些内冷式强迫循环原理如图所示嫌发冷却■介质』回液诗 进比出水严器汇诡环TT线棒为空实心股线组织而成，冷却介质依靠泵的动力在空心股线内强迫循 环当发电机运行时，因铜损耗引起绕组发热，空心股线中冷却介质在管内不断 吸热，所有空心股线内冷通道出液口与压力均衡相连，使所有冷却通道出液口的 压力差被压力均衡器吸收，从而使内冷通道的介质流量和压力基本均衡。

在泵的 驱使动力下，克服回路中的阻力压降（单向流动阻力，两相流动阻力和局部阻力） 维持一定流量的循环如此往复把热量传到外部2. 转子转子轴向-径向通风轴向-径向通风是一种主要依靠外加高压风扇来维持气体在导体内流动的通 风方式冷却气体（如氢气）由转子两端护环下进风孔进入导体轴向风道，经转 子中部径向风道由槽楔上的出风孔排至气隙系统如图但这种方法冷却气体对 转子绕组的冷却不均匀槽底副槽通风这是一种自通风方式冷却气体由转子本体两端的风扇送入转子槽底副槽 中，经过转子绕组上的一系列径向直风道，从转子表面上的槽楔出风孔进入气隙 优点：槽楔加工，绕组冲制和定位均较简单；转子表面风磨损耗小，不需高压风 扇；转子冷却气体直接来自风扇，未经定子加热，其温度低于气隙中冷却气体的 温度，冷却效果好；绕组温度不均匀度较低但是，这种方法转子本体需增加副 槽，转子利用率低，励磁损耗大；进风面积有限，冷却气体流量不易分配均匀； 副槽的存在削弱了齿根强度系统如图所示气隙取气斜流通风这种方法也是一种自通风方式冷却气体（氢气）经转子表面的取风斗进入 绕组一侧通风沟，最后经转子表面的出风孔排至气隙此方法通风路径短，转子 中气体流量约合转子本体的长度成正比，可提供尽量高的气体流量，散热效果好， 绕组温升分布较均匀；转子槽满率高，风扇结构简单，加工方便运行可靠。

但表 面和槽楔较复杂，金属加工量大；线圈加工复杂；转子表面风磨损耗大；进入转子的冷却气体已被部分定子损耗所预热，降低了转子的冷却效果系统如图通风散热计算方法研究现状电机内温度的计算有两个主要方法，等效热路法和温度场法，而温度场法又 分为等效热网络法和数值计算法，数值计算法包括有限差分法和有限元法等效 热路法是利用传热学和电路理论的相似性把温度场简化为带有集中参数的热路 来进行计算，把分布的真实热源和热阻用集中的热源和热阻代替，形成等效热路 该方法能够准确描述电机的实际模型，物理意义明确，计算量相对较小，曾经得 到广泛应用，但该方法不能很好的确定电机各部件温度的实际分布情况，只能近 似估算绕组的平均温升，无法得出某一点的具体温升等效热网络法是应用图论 原理，通过网络的拓扑结构进行热分析的一种方法它实质是把热路法的参数和 热源进行局部分布参数化数值计算方法是求解温度场的常用方法，主要包括有 限差分法和有限元法等有限差分法不足之处是,由于采用的是直交网格，因此 对于边界形状复杂的区域和第二类边界条件及内部介质界面的处理比较困难有 限元法是当今科学技术发展和工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法，由于 它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视，伴随着计算机科学和技术的 快速发展，现已成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分。

采用CFD方法分析发电机内气体流动与传热问题是比较主流的方法国际 上主流CFD软件都具有丰富的物理模型，先进的数值计算方法和强大的后处理 功能，CFD软件充分利用当代流体与传热等知识库，以巨量的计算为依托，对 流动与传热过程进行全方位的计算机数值模拟，这很大程度上弥补了传统计算方 法中简化过多的缺点大部分CFD软件都能进行二维，三维流场和温度场的计 算在流场计算的基础上，再进行传热计算，软件中提供了丰富的传热模型供选 择如自动对流，强迫对流，流体与固体的耦合传热，固体的热传导和辐射等ANSYS Fluent软件是世界一流的CFD分析软件广泛应用于航空航天，军 事工业，石油化工等行业Fluent软件是一种基于有线体积法，对求解问题在满 足质量守恒，动量守恒和能量守恒的基本物理方程进行求解计算电机的物理， 数学模型相当复杂，用CFD软件内的系列模型选项来确定，在选择模型时分析 者需对所分析的物理过程有清楚的认识，如问题的主要物理过成，主要边界条件 及某些量的预先估值范围等三、电机通风散热计算的计算内容下面以二维温度场的数值计算为例简述计算过程1. 求解域模型的建立普通中小型笼型感应电机普遍采用全封闭外置风扇冷却结构，内部无通风系 统。

一般情况下，可以将三维温度场问题转化为二维温度场问题求解分析，从而简化计算难度和节省计算时间，并且能够满足工程需要为建立该电机二维温度场模型，做以下假设和等效：(1)电机沿轴向的热流 密度为零(2)机座的散热效果近似用等效散热翅体现(3)转子铁心和转轴之间 没有热传导考虑到定子铁心外表面和机壳内表面实际加工安装尺寸，定子铁心 和机壳间产生很小的装配间隙由于空气的导热系数很小，因此间隙温度降不可 忽略对于各向同性媒质，导热系数为常数，在直角坐标系下的二维稳态热传导方程为X-^T + X^T = _qv，式中T为温度入为导热系数qv为热源密度8% 2 dy 2机壳表面通过对流散热，给出第三类边界条件XVT • n + a(T -Tf)二0，式中n为机壳表面单位法向矢量，a为散热系，Tf为环境温度数根据假设条件(3),对转子铁心内表面给出第二类边界条件XVT-e二0式中 e 为单位法向矢量求解域内二维温度场边值问题为①82T ①8 2T8n 118T九—I =-a (T — T )8n l2 ,l3 /推到化间得J(T) = -J [九(8T)2 + 九(8T)2]dS —J Tq dS + -oj (T-2T )TdL = min2 D 8x 8y D V 2 l2,l3 f式中 D 为求解域。

当取极值时，即8J8T = 0时，可知KT=F，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列矢量再将边 界条件代入上式修改，最终获得一个线性方程租，解此方程组即可得到各个节点 的温度值2. 定子绕组等效温度模型的建立 对散下线的定子绕组，导线在槽内的排列极不规则为简化分析，对钉子操作 如下假设：-.槽内各个导线均匀排列，温差忽略不计 2.铜线的绝缘漆分布均匀3. 绕组绝缘漆完全填充在上述假设条件下，可将槽内的全部铜线等效的看做一个导热体，槽内所有 绝缘材料等效为另一个导热体铜棒位于槽的中心，周围与槽壁平行，等效后的 绝缘均匀的分布在铜棒周围槽内绝缘材料的等效热导系数计算如下九二工5 /(L5 /九),九为槽内绝缘材料的等效热导系数，6为各种绝缘材料 eq i i i eq ii=1 i=1的等效厚度，九为各种绝缘材料的平均导热系数i3. 气隙的处理计算定转子全域温。