由于對(duì)高速電機(jī)要進(jìn)行流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析

由于對(duì)高速電機(jī)耍進(jìn)行流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)的分析，所以對(duì)樣機(jī)主耍參數(shù)和尺寸作簡(jiǎn)耍說明，這里包

括6槽，12槽，和24槽的樣機(jī)尺寸。

(1)樣機(jī)額定數(shù)據(jù)

額定功率：PN=75kW

額定電壓：t/N=500V

相數(shù)：m=3

極數(shù)：2P=2

額定效率：但=90%

功率因數(shù)：cos夕

額定轉(zhuǎn)速：=6000()r/min

額定頻率：樂=〃〃N/60=60000/60=1000Hz

額定相電流：/N=PN/(V3UN)=75000/(百x500)=A

冷卻方式：空氣冷卻

(2)定子尺寸

氣隙長(zhǎng)度：5=1mm

定子內(nèi)徑："1=66mm

鐵心長(zhǎng)選?。?=135mm

(3)定子槽型尺寸

定于沖片設(shè)計(jì)，如圖2.3所不

上面描述了三臺(tái)樣機(jī)共同的根本數(shù)據(jù)，下面分別確定6、12、24槽高速電機(jī)定子的根本尺寸，表2.1

中分別列出6槽、12槽、24槽電機(jī)的定子根本尺寸。其中前面的符號(hào)所代表的具體部位可從圖中找出。

其中N為每相串聯(lián)匝數(shù)。

表2.1不同槽數(shù)電機(jī)定子的根本尺寸

Table2.1StatorDesignofDifferentSlots

6槽12槽24槽

加i(mm)432

加(mm)14

/?oi(mm)111

An(mm)222

/?i(mm)1099090

432

"i(mm)

26

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（Computalion歷已然明愉神蚓P喳闡是通過計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算在圖像顯示,

對(duì)包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)所做的分析。CFD的根本思想是把真實(shí)世界時(shí)間域

和空間域上連續(xù)的物理量，用?系列離散的有限的點(diǎn)上的變量值得集合模擬，通過?定的原那么和方式

建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場(chǎng)變量之間關(guān)系得代數(shù)方程組，通過求解代數(shù)方程組，得到場(chǎng)變量的近似解網(wǎng)。

流體是CFD的研究對(duì)象，流體根本性質(zhì)和流動(dòng)狀態(tài)決定著CFD計(jì)算模型及計(jì)算方法的選擇。為了

對(duì)模型進(jìn)行CFD計(jì)算,

Fig.3.3Fevercurveofmaterial

Fig.2.6CalculationflowchartofCFDsoftware

FLUENT是目前處，區(qū)加6人心也口,j隊(duì)門w，一本流動(dòng)，流固耦合傳熱等問題的

解決。實(shí)質(zhì)上講，F(xiàn)LUENT軟件只是一個(gè)求解器，它可以導(dǎo)入網(wǎng)格模型、提供計(jì)算的物理模型、施加邊

界條件和材料屬性、求解和后處理。而前處理軟件可以有多樣化的選擇，使用最廣泛的是GAMBIT軟

件，它可以進(jìn)行實(shí)際物理模型的兩維和三維的建模，可以采用結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)復(fù)雜的求解區(qū)域

在行網(wǎng)格劃分，提供應(yīng)FLUENT進(jìn)行CFD分析。

模型的建立

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)由于電機(jī)體積小，單位體積的損耗大，需要對(duì)電機(jī)定轉(zhuǎn)子進(jìn)行較好散熱。樣機(jī)采用軸向強(qiáng)

迫風(fēng)冷，用外接軸流式風(fēng)機(jī)對(duì)電機(jī)進(jìn)行冷卻。這樣，就需要分析了解電機(jī)內(nèi)部的氣流場(chǎng)的情況，并對(duì)轉(zhuǎn)

子外表風(fēng)摩耗進(jìn)行分析計(jì)算。

對(duì)高速電機(jī)的建模和網(wǎng)格劃分是利用GAMBIT軟件進(jìn)行的，此軟件操作采用了GUI方式，可以大

大縮短用戶熟悉軟件的時(shí)間，更易于用戶上手。建模的步驟分輸入點(diǎn)的坐標(biāo)，連線，圍面和構(gòu)造體。點(diǎn)

的坐標(biāo)可以通過讀取相應(yīng)二維模型的AUTOCAD文件來獲取。把構(gòu)造模型的各點(diǎn)用線連接起來，構(gòu)造

出模型的二維幾何結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)際樣機(jī)的結(jié)構(gòu)將各獨(dú)立的幾何面.劃分出來。建好各面之后將各面沿Z方

向拉伸，氏度與電機(jī)定子軸向長(zhǎng)度相同，這樣一個(gè)三維的樣機(jī)模型就建立起來了。假設(shè)要對(duì)這個(gè)模型進(jìn)

行流體場(chǎng)分析就需要對(duì)其進(jìn)行四格劃分，網(wǎng)格劃分是按照各個(gè)體的順序進(jìn)行的，原那么是流體場(chǎng)變化大

的地方比方氣隙就要細(xì)剖，流體場(chǎng)變化小的可以粗剖，保證網(wǎng)格數(shù)量適中。由于樣機(jī)是軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)所以

在建模的時(shí)候只需要建模型的六分之一、十二分之一和二十四分之一就可以了，這樣做既可以減少網(wǎng)格

數(shù)量和降低模型復(fù)雜度而且可以提高計(jì)算的精度。網(wǎng)格劃分之后就是定義各邊界條件，模型中各內(nèi)風(fēng)道

的入口處施加速度入口邊界條件，出口施加壓力出口邊界條件，對(duì)稱面施加周期性邊界條件，應(yīng)該特別

指出的是轉(zhuǎn)子外表應(yīng)先取一個(gè)較特別的名字，以防止和其他面混淆。然后定義好流體和固體所在的體就

可以了，將兩種類型的體區(qū)分開來，取上不同的名字。三維模型圖在下面的章節(jié)中會(huì)介紹到，這里就不

加以展示了。

模型的求解

對(duì)流體場(chǎng)的求解是利用FLUENT軟件進(jìn)行的，該軟件只負(fù)責(zé)模型的求解和后處理，所以要把在

GAMBIT中的網(wǎng)格文件導(dǎo)入到FLUENT中。在計(jì)算之前應(yīng)先臉查網(wǎng)格是否符合要求，如果網(wǎng)格不符合

要求，就要回到GAMBIT中重新劃分網(wǎng)格，直到網(wǎng)格文件通過檢查。下一步是改變單位制，將原來以

m為單位的模型改為以mm為單位的模型，縮小1000倍。再接下來就是選擇計(jì)算模型，如果進(jìn)行溫度

場(chǎng)的求解就要選中能量求解項(xiàng)，如果電機(jī)通風(fēng)道內(nèi)的空氣流態(tài)對(duì)湍流的就要選擇相應(yīng)湍流求解模型。接

下來是定義各材料屬性，如果軟件的屬性庫(kù)中沒有相應(yīng)的材料就要自定義材料屬性，保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中。

然后加載邊界條件，對(duì)于流體定義材料為air,對(duì)于固體定義用應(yīng)得材料屬性，如果只分析流體場(chǎng)，固

體材料屬性不需要定義，然后對(duì)于速度入口的邊界條件給定速度，出口邊界條件給定0相對(duì)壓力，即與

大氣壓相同。然后就可以初始化計(jì)算模型進(jìn)行迭代求解了，迭代求解的循環(huán)次數(shù)要根據(jù)計(jì)算結(jié)果收斂情

況來定，運(yùn)算直到計(jì)算到達(dá)要求的精度為止。

后處理

通過FLUENT中display選項(xiàng)可以觀察通風(fēng)道的空氣流動(dòng)速度以及流體流態(tài)，還可以觀測(cè)通風(fēng)道內(nèi)

壓力分布情況。

2.6通風(fēng)計(jì)算仿真結(jié)果分析

通過流體場(chǎng)的分析，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?gòu)?0000r/min變化到60000r/min時(shí)電機(jī)通風(fēng)道內(nèi)的流體場(chǎng)情況如以下

圖所示，從圖中可以看出隨著轉(zhuǎn)速的增大，氣隙內(nèi)的風(fēng)速逐漸漕大，從/s增大至/s,而且轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)氣

隙流體流速影響越來越大。

由于氣隙內(nèi)不同氣流層間會(huì)產(chǎn)生速度差，這樣不同氣流層間就會(huì)產(chǎn)生較大的相對(duì)摩擦，摩擦引起

較大風(fēng)摩耗。電機(jī)轉(zhuǎn)子外表速度和氣隙的外表情況會(huì)對(duì)風(fēng)摩耗產(chǎn)生較大影響。通過對(duì)流體場(chǎng)的分析，可

以得到不同工況下風(fēng)摩耗的大小，比方轉(zhuǎn)子速度、轉(zhuǎn)子外表粗糙度、通風(fēng)道的結(jié)構(gòu)等等。圖2.8要說明

的是轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對(duì)風(fēng)摩耗的影響，當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速?gòu)?4000r/min增加到60000r/min時(shí)，電機(jī)風(fēng)摩耗從186*

增加到了792k而且從圖中可以看出損耗增加的速度大于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速增加的速度，對(duì)于兩者之間具體存在

什么關(guān)系，可以通過數(shù)學(xué)上的數(shù)據(jù)擬合來實(shí)現(xiàn),通過數(shù)據(jù)擬合，發(fā)現(xiàn)風(fēng)摩耗的大小大約和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的1.84

次幕成正比，幾乎和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的平方成正比，從這個(gè)結(jié)果可以看出，為什么在高速電機(jī)中風(fēng)摩耗所占的

比重如此大，要作為重點(diǎn)考慮，而在普通工頻電機(jī)中，轉(zhuǎn)子外表風(fēng)摩耗幾乎可忽略的原因了。

田

鼻

由于軸向通風(fēng)占33te.Cl

*21

60000r/min時(shí)軸向i2Cic.Cl

然軸向通風(fēng)增加了廠＞，CA?CI

，加?

于流向通風(fēng)道的通口等

“W7

ZBW-^31

通風(fēng)道截面積從而油二

耗。

I3ml

前面口經(jīng)介紹J

構(gòu)，不E藝

Fig.2.8In號(hào)dmachine

風(fēng)道，nJ

dofhighspeedmachine

通過計(jì)算分析，（口這一結(jié)果顯示內(nèi)風(fēng)道不但能

通風(fēng)風(fēng)速/m/s

減少風(fēng)摩耗，而且可以I腎5儂中缸，迫的存在是必要的，具體原因已在

150產(chǎn)響

Fig.2Qhihighspeedmachine

100

藝751

曜

2.4節(jié)作了說明。

1500

亍通風(fēng)計(jì)算

電機(jī)是一種結(jié)構(gòu)非常/0000.050.10.150.20.250.30.3504,過程很復(fù)雜，這些都影響著電

粗糙度/mm

機(jī)的發(fā)執(zhí)計(jì)算伯息由知宓任父R............................../月期生縣到執(zhí)清的隊(duì)表,再通過對(duì)流和輻

圖2.11轉(zhuǎn)子外表粗糙度對(duì)于高速電機(jī)風(fēng)摩耗的影響

射散發(fā)到周圍Fig.2.IIInfluenceofroughnessheightofrotorsurfaceonairfrictionloss同度分析時(shí)，需要給

出每一實(shí)體的材料屬性包括熱傳導(dǎo)率、比熱容、對(duì)流散熱系數(shù)、輻射系數(shù)、生熱率等歸叫

熱傳導(dǎo)

當(dāng)電機(jī)的內(nèi)部存在溫度差時(shí)，熱量將從較高溫度的局部傳導(dǎo)較低溫度的局部。這種熱量傳遞的方式

叫做熱傳導(dǎo)。

高溫側(cè),-L低溫側(cè)

如上圖所示，圖中左右兩個(gè)外表分期熱和低溫側(cè)，且分別維持均勻的溫度，分別為7kM

曷

和Koid，且存在一定的溫差（%>￡。加，惻傳導(dǎo)到右側(cè)。且滿足以下關(guān)系：

星土懈）

?急0

其中Q為/時(shí)間內(nèi)的總｝Fig.3.1Schematicsof'Aealexchange面間距離。這就是導(dǎo)熱的根本定律,

傅立葉定律。

熱對(duì)流

對(duì)流僅在流體之間發(fā)生，它是指溫度不同的各局部流體之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)所引起的熱量傳遞方式。

高溫物體外表常常發(fā)生對(duì)流現(xiàn)象，這是因?yàn)楦邷匚矬w外表的空氣因?yàn)槭軣岫蛎洠芏葴p小而向上流動(dòng),

與此同時(shí).，密度較大的冷空氣下降代替原來受熱空氣的位置，產(chǎn)生對(duì)流。對(duì)于空氣來說，如果空氣的流

態(tài)為層流時(shí)，熱量的傳遞主要依靠熱傳導(dǎo)作用，由于空氣的熱導(dǎo)率較小，所以層流時(shí)散熱效果不是很好。

當(dāng)流體層產(chǎn)生湍流時(shí)，這時(shí)熱量的傳遞主要依靠對(duì)流作用，由于對(duì)流散熱的熱阻較小，因此比時(shí)散熱能

力明顯提高。當(dāng)計(jì)算由對(duì)流作用帶走熱量時(shí)，采用牛頓散熱定律：

q=%)=&△/0

這里“表示熱流密度，即單位時(shí)間通過單位等溫面的熱量。。表示對(duì)流散熱系數(shù)，即當(dāng)外表與周圍介

質(zhì)的溫差為i°c時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積外表的熱量。q和2分別表示壁面溫度和流體溫度。

熱輻射

熱輻射是通過電磁波的方式將能量傳遞給其他物體的過程。輻射不需要直接接觸，也不需要任何中

間介質(zhì)，即可在真空中傳播。

同一物體，溫度不同時(shí)的熱輻射能力不一樣，溫度相同的不同物體熱輻射能力也不相同，在同一溫

度下黑體的輻射能力最強(qiáng)。黑體在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的熱量由Stefan-Boltzmann定律表示：

①=SoT41)

這里7’表示黑體的熱力學(xué)溫度，S表示產(chǎn)生輻射的外表積，。表示黑體輻射常數(shù)。黑體又叫做絕對(duì)黑體,

黑體能全部吸收落在它外表的熱量。

實(shí)際的物體輻射能力均小于同一溫度下的黑體。實(shí)際物體的輻射能量可以采用Stefan-Boltzmann

密律得修正公式表示：

①=sSoT4

這里5表示實(shí)際物體的輻射率，它的取值范圍為0~1之間。

自然界中任何物體都在不斷地向周圍空間輻射能量，并吸收來自空間中其他物體的輻射能量，這種

輻射和吸收的過程形成了輻射換熱過程。

溫度分析時(shí)的材料屬性介紹

熱傳導(dǎo)率已在前面介紹過了。比熱容是指單位質(zhì)量的物質(zhì)每升高(降低)1C時(shí)所吸收(放出)的

熱量，單位為J/(KgC)。熱量和溫度的關(guān)系可表示為

Q=C777△/()

這里。為熱量，0為質(zhì)量，為溫度變化，。為比熱容。

如果物質(zhì)發(fā)生相變上述關(guān)系不成立，這是因?yàn)楫?dāng)物質(zhì)發(fā)生相變時(shí)，吸收或放出的熱審不會(huì)全部用來

改變溫度。有關(guān)對(duì)流散熱系數(shù)和輻射系數(shù)在前面已作介紹。生熱率用作體載荷加到體單元上，用于模擬

電機(jī)內(nèi)的熱源，比方定子鐵耗生熱，繞組電流生熱等，單位是單位體積的熱流率。

溫度場(chǎng)的邊界條件

為了使求解的溫度方程具有唯一解，需要在邊界上給定一定的邊界條件和初始條件，統(tǒng)稱為定解

條件。

1)第一類邊界條件

第一類邊界條件指的是物體邊界上的溫度函數(shù)，用公式可表示為

刀「=5()

T\r=f(x,y,z,t)()

r

或者

這里表示物體邊界，幾表示壁面溫度，f（x,y,z,t）表示的溫度函數(shù)。

2）第二類邊界條件

第二類邊界條件指物體邊界上的熱流密度。/,用公式可表示為

,dr

一女丁=q()

或者】才產(chǎn)\

-k-H=g（x，y,z/）0

式中q表示熱流密發(fā)，g（x,）,z,〃爰赤■的熱流.密度函數(shù)。

3）第三類邊界條件

第三類邊界條件指的是與物體把接觸流體介質(zhì)的溫度。和散熱系數(shù)ao用公式可表示為

力和散熱系數(shù)a可以是常數(shù)，也可以選腳時(shí)間和位置變化的函數(shù)。

-"早=。（7一看）「0

3.2電機(jī)內(nèi)熱源分布而

高速中機(jī)單位體積的損耗比同等功率等級(jí)的普通電機(jī)大許多，所以要想得到準(zhǔn)確的申，機(jī)溫度分布，

就必須準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)各局部損耗，作為計(jì)算溫度場(chǎng)的熱源。

高速電機(jī)的損耗可以分為定子損耗和轉(zhuǎn)子損耗。其中定子損耗乂可以分為繞組銅耗和定子

鐵耗。轉(zhuǎn)子損耗包括轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)外表風(fēng)摩耗和轉(zhuǎn)子護(hù)套的諧波損耗構(gòu)成。其中轉(zhuǎn)子外表風(fēng)

摩耗在前面已經(jīng)作了詳細(xì)介紹，這里就其他損耗的計(jì)算作一簡(jiǎn)要介紹。

繞組銅耗

高速電機(jī)銅耗是由十電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電流通過繞組電阻產(chǎn)生的損耗。在繞組中，銅耗密度可

由式（3.11）計(jì)算：

匕=夕。［1+月（T—（）］］/（）

式中Pcu表示繞組銅耗密度，P0表示在溫度為元時(shí)的銅的電阻率，r表示測(cè)量時(shí)的溫度，/表

示電流密度，用表示溫度系數(shù)。

X108Q-m（17°C^jxlO-"CL電機(jī)繞組中的電流密度選擇3A/mm2,代入上式中計(jì)算能量

密度為6I920W/m\

計(jì)算繞組發(fā)熱時(shí)，繞組銅耗分為槽部銅耗和端部銅耗，它們分別與各自所占繞組長(zhǎng)度有關(guān)。

定子鐵耗

按照交流電機(jī)設(shè)計(jì)理論，定子鐵耗可由下式估算：

七=5。目圉（）

a

這里B表示定了鐵心實(shí)際磁通密度,/表示定了鐵心實(shí)際磁通變化頻率，CR表示經(jīng)瞼校正系數(shù),

%表示鐵心單位重量損耗,是在定子鐵心磁通密度和磁通交變頻率分別為a和加時(shí)的單位重量

的損耗，為頻率指數(shù)，GFC為鐵心重量14叫

高速電機(jī)中的磁通頻率/高達(dá)1000Hz,因此其定子鐵心損耗比傳統(tǒng)電機(jī)大得多。比方說一

臺(tái)轉(zhuǎn)速為60000r/min的高速電機(jī)和一臺(tái)轉(zhuǎn)速為3000r/min的普通電機(jī)相比，假設(shè)其它參數(shù)相

同的話，從上式可以看出，前者的鐵耗將是后者鐵耗的數(shù)十倍。所以準(zhǔn)確計(jì)算高速電機(jī)的鐵耗

對(duì)電機(jī)設(shè)計(jì)具有重要意義。

1）定孑硅鋼片損耗系數(shù)的測(cè)定

為了減少高速電機(jī)的定子鐵耗，必須采用電磁性能優(yōu)異、損耗系數(shù)較小的硅鋼片。高速永

磁電機(jī)的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)采用厚度的冷軋硅鋼片，在50Hz,1.7T時(shí)，單位體積的損耗系數(shù)約為0.9%

高頻下此硅鋼片的損耗系數(shù)還需要通過實(shí)驗(yàn)來測(cè)定。

由于該硅鋼片材料有取向，因此不同方向的磁導(dǎo)率不同，損耗系數(shù)也不相同。為了測(cè)得材

料在不同方向上的損耗系數(shù)，用該種電工鋼片制造了三個(gè)尺寸相同的單相變壓器，但其鐵心疊

壓方向各不相同，分別按照豎向軋制方向、橫向軋制方向和混合軋制方向疊壓而成，實(shí)驗(yàn)中采

用變頻器的供電。通過實(shí)驗(yàn)得到三個(gè)鐵心損耗曲線，通過損耗曲線即可求得定子硅鋼片的損耗

系數(shù)。

2）定子硅鋼片頻率指數(shù)的測(cè)定

在某一固定頻率下，通過實(shí)驗(yàn)可以同時(shí)確定磁通密度描、頻率為以及在該磁密和頻率下硅鋼片材料

的單位損耗系數(shù)。在上式的定子鐵心損耗折算公式中，頻率折算的指數(shù)還需要確定，指數(shù)a可以通過在

不同頻率下進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)，并通過上式來確定a的值。

此時(shí)可以通過有限元軟件和前面的公式分析得到高速電機(jī)在空載運(yùn)行時(shí)和負(fù)載運(yùn)行時(shí)的鐵耗14刀。

轉(zhuǎn)子護(hù)套諧波損耗

6

X10s/m,利足］o由于轉(zhuǎn)子護(hù)套有效的屏蔽了

氣隙中的電磁V%

基

&3干方A75

V

松

頷

聚5O

即

乍

」/「局部溫度升高。電機(jī)某部件溫度

與周圍介質(zhì)溫度,25：

電機(jī)本身不治.......、......,..............|三研究電機(jī)的這些過程時(shí),往往假

定它是均質(zhì)物體。根貼對(duì)均質(zhì)物體發(fā)熱費(fèi)時(shí)間/s、其溫升隨叫何變化的曲線如下圖。

剛開始圖3.2空載時(shí)的轉(zhuǎn)子護(hù)套中的損耗K溫度，所以剛開始的一段

Fig.3.2Thelossintherotorenclosureundernoloadcondition

溫度上升很快。當(dāng)物體溫度增加到一定程度時(shí)，物體散發(fā)到介質(zhì)中的熱量逐漸增加，溫度上升的速度也

越來越緩慢，當(dāng)時(shí)間趨于無窮時(shí)物體到達(dá)穩(wěn)定溫升，此時(shí)物體內(nèi)生的熱量等于散發(fā)的熱量，物體的溫度

不再增加。實(shí)際工程中當(dāng)時(shí)間為（3~4）r時(shí)，認(rèn)為溫升根本穩(wěn)定。對(duì)于電機(jī)來說，人們不希望溫升過

高，因?yàn)檫^高的溫升意味著繞組絕緣能力的下降，對(duì)于永磁電機(jī)來說，過高的溫升意味著轉(zhuǎn)子失磁。所

以為了使得溫升不致過高，需要一方面減小損耗，另一方面增加電機(jī)散熱的能力。

對(duì)于高速電機(jī)來說，由于其功率密度大，散熱空間小，溫升問題尤為突出，為了準(zhǔn)確的分析高速電

機(jī)內(nèi)部各部件的溫升情況，需要采用熱流耦合的分析溫度場(chǎng)的方法。在傳統(tǒng)的方法中都是先根據(jù)流體場(chǎng)

分析的結(jié)果通過公式計(jì)算的到散熱系數(shù)等參數(shù)，這里對(duì)于普通電機(jī)來說這樣做還是可行的，但對(duì)于本文

所說的高速電機(jī)這種特種電機(jī)來說其中一些經(jīng)驗(yàn)公式未必適用。下面就介紹一種采用熱流耦合的分析方

法來計(jì)算溫升，這種方法防止了使用公式計(jì)算散熱系數(shù)所帶來的誤差，直接由軟件內(nèi)局部析得出。此種

方法簡(jiǎn)單易用，效果良好。

在進(jìn)行基于FLUENT的電機(jī)溫升的分析時(shí)很關(guān)鍵的就是正確確定模型中各種實(shí)體的物理參數(shù)，在

FLUENT中流體和固體的物理性質(zhì)都用材料屬性來反映。與其他場(chǎng)分析軟件一樣，F(xiàn)LUENT也需要為計(jì)

算區(qū)域的每一個(gè)實(shí)體指定一種材料。本次計(jì)算中模型采用了流體（Fluid）和固體（Solid）兩加。流體的

材料屬性包括密度、粘度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)、質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù)等參數(shù)。固體的材料屬性包括密度、比

熱容和熱傳導(dǎo)系數(shù)等屬性。在實(shí)際分析中模型中包括的流體區(qū)域只有一種流體就是空氣，空氣的各種屬

性采用軟件的默認(rèn)值，不需要賦予。固體局部主要涉及到鉉鐵硼永磁體、非導(dǎo)磁合金鋼護(hù)套、定子硅鋼

片、銅繞組、絕緣紙和鋁制機(jī)殼等。下面分別是這些材料的屬性值

1）被鐵硼永磁體

密度：8400kg/m3

導(dǎo)熱系數(shù)：12W/m℃

比熱容：504J/kg℃

2）非導(dǎo)磁合金鋼護(hù)套

密度：7750kg/m3

℃

℃

3）定子硅鋼片

密度：7650kg/m3

℃

4）銅

密度：8900kg/m3

℃

比熱容:504J/kgr

5）鋁制機(jī)殼

密度：2719kg/m3

*C

比熱容：871J/kg℃

6）絕緣紙

密度：900kg/m3

導(dǎo)熱系數(shù)：℃

比熱容：800J/kgeC

FLUENT中已經(jīng)保存了一局部材料的屬性，但是在本分析中還有一局部材料需要自己定義。定義

和復(fù)制材料都是通過Materials對(duì)話框來實(shí)現(xiàn)，假設(shè)要定義新材料，翻開Materials對(duì)話框，點(diǎn)擊

User-DefinedDatabase按鈕，在彈出的對(duì)話框中輸入材料屬性文件需要保存的路徑，點(diǎn)擊OK按鈕，在

彈出的對(duì)話框的卜方點(diǎn)擊New按鈕，彈出MaterialProperties對(duì)話框，在Name欄中輸入材料名稱，如

pm,表示要?jiǎng)?chuàng)立的材料為永磁體，在type選項(xiàng)中選擇材料的狀態(tài)，是固體就選擇Solid選項(xiàng)，在Available

Properties中選擇Cp-比熱容參數(shù)，Densily-密度ThermalConduciivity-熱導(dǎo)率來描述固體材料，選中每

個(gè)屬性即可將參數(shù)輸入進(jìn)去，這里參數(shù)全部選擇常數(shù)，即參數(shù)值不隨其他參數(shù)變化，參數(shù)編輯完成之后

點(diǎn)擊Apply應(yīng)用保存結(jié)果，在點(diǎn)擊Save按鈕將結(jié)果保存在材料庫(kù)中，已備調(diào)用。其他需要定義的材料

也按此步驟創(chuàng)立。

如果需要的材料在軟件自帶的材料屬性庫(kù)中可以找到，那么只需要點(diǎn)擊FluentDatabase；在彈出的

對(duì)話框的MaterialType卜拉菜單中選擇固體Solid,在左側(cè)的FluentSolidMaterials中選擇福要的材料，

點(diǎn)擊OK即可。材料屬性編輯完成。

設(shè)定好材料屬性后，還需要設(shè)定邊界條件的值，由于使用流熱耦合場(chǎng)分析，所以不需要對(duì)各壁面設(shè)

定溫度場(chǎng)相關(guān)的參數(shù)，這些參數(shù)是軟件根據(jù)流體場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果和材料屬性計(jì)算出來的。

下面以24槽電機(jī)為例說明邊界條件的設(shè)置，24槽模型圖如圖3.4所示。由于在對(duì)電機(jī)進(jìn)行建模時(shí)

只建了電機(jī)1/24,認(rèn)為其他局部的溫度和流體分布情況與計(jì)算模型一致，所以在電機(jī)的兩側(cè)印圖中的a

處出現(xiàn)了周期性邊界，需要設(shè)置旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件的地方分別為永磁體兩側(cè)，氣隙兩側(cè)，護(hù)套兩側(cè)，

定子兩側(cè)以及外風(fēng)道兩側(cè)。

然后為通風(fēng)道入口施加速度入口邊界條件，如圖中b和d所示。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得外風(fēng)道的風(fēng)速為

19in/s,內(nèi)風(fēng)道的風(fēng)速為14川/s,將參數(shù)輸入邊界條件中。出口處，即圖中的c和c所示，施加壓力出口

邊界條件，認(rèn)為此處相對(duì)壓力為0。

f處指的是轉(zhuǎn)子外表，為了模擬轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的工況，需要將此處設(shè)置成滑移壁面邊界，轉(zhuǎn)子速度和粗

糙度需要按以下方法設(shè)置，首先選擇轉(zhuǎn)子外表的投影面，點(diǎn)擊Momentum按鈕，在彈出的對(duì)話框中的

WallMotion單項(xiàng)選擇框中選擇MovingWall即滑移壁面，在Motion選項(xiàng)中選擇Rotational即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，

在Rotation-AxisOrigin即旋轉(zhuǎn)軸起始點(diǎn)，將該點(diǎn)設(shè)置成出標(biāo)原點(diǎn)，在Rotation-AxisDirection即旋轉(zhuǎn)軸的

方向，將此方向設(shè)置成z軸正方向，在Speed(rad/s)即轉(zhuǎn)速一欄中輸入6280rad/s即6000Ur/min。在

WallRoughness框中的RoughnessHeight(mm)輸入粗糙度，這里認(rèn)為轉(zhuǎn)子外表光滑，所以輸入0。最

后點(diǎn)擊0K,滑移壁面邊界設(shè)置完畢。

接下來是為各個(gè)體賦予材料屬性。在電機(jī)的內(nèi)風(fēng)道和兩個(gè)外風(fēng)道上賦了空氣的材料屬性，首先電機(jī)

需要賦材料的體，點(diǎn)擊sei按鈕，在出現(xiàn)的對(duì)話框的MalerialName下拉菜單中選擇空氣這種材料，因?yàn)?/p>

它不是熱源所以不需要設(shè)置源項(xiàng)。點(diǎn)擊OK完成。在內(nèi)外繞組中賦予銅的材料屬性，因?yàn)槔@組中會(huì)產(chǎn)生

銅耗，所以需要設(shè)置能量源項(xiàng)，在對(duì)話框中鉤選SourceTerms選項(xiàng)，在Energy中輸入能量密度

6l920W/m\在后面的下拉菜單中選擇constant,表示能量源項(xiàng)在整個(gè)計(jì)算過程中不變。電機(jī)內(nèi)槽和外

槽中為了防止繞組漆包線直接接觸定子而劃傷絕緣層而鋪了?層絕緣紙，由于絕緣紙的導(dǎo)熱性不好，所

以對(duì)繞組的散熱影響較大，所以在建模時(shí)必須建絕緣紙這一塊，在邊界中選擇代表內(nèi)外繞組絕緣紙的體，

點(diǎn)擊set按鈕，在MaterialName下拉菜單中選擇材料庫(kù)中的絕緣紙材料，絕緣紙不是熱源所以不需要設(shè)

置能量源項(xiàng)，能量密度默認(rèn)為0“接下來設(shè)置永磁體的材料屬性，按照以上方法選擇永磁體材料，能量

源項(xiàng)默認(rèn)為0.設(shè)置護(hù)套的材料屬性，方法和上面一樣，這里由于高頻交變磁場(chǎng)會(huì)在護(hù)套中感應(yīng)出高頻

電流從而產(chǎn)生損耗，所以護(hù)套是一個(gè)熱源，這里需要設(shè)置能量源項(xiàng)，由于空教時(shí)護(hù)套諧波損耗不大，經(jīng)

過計(jì)算不會(huì)超過120W,這里取120肌護(hù)套的體積可以通過截面積乘以長(zhǎng)度來計(jì)算，最后計(jì)算的結(jié)果是

33,能量源項(xiàng)在整個(gè)計(jì)算過程中保持不變。除此之外，其他的邊界均設(shè)為壁面邊界，這是軟件中默認(rèn)的

邊界條件，不需要人為設(shè)定。

接下泳l/z此行流I體B場(chǎng)B上---勿--分r

機(jī)時(shí)還需％"程,以便時(shí)r\57.；-z-

.Jn和流體場(chǎng)中沒汽

的相同，選：it匕方程和迭代求解,在

圖3.424槽電機(jī)計(jì)算模型圖及其邊界條件劃分

Fig.3.4Calculationmodelof24-slotmachineandboundarycondition

續(xù)迭代，直到結(jié)果收斂為止。在求解過程中，通過檢查變量的殘差、統(tǒng)計(jì)值、力等參數(shù)來動(dòng)態(tài)的監(jiān)視il

算過程是否收斂和當(dāng)前的計(jì)算結(jié)果。模型計(jì)算到86次時(shí)，結(jié)靈收斂。

當(dāng)?shù)€已收斂后，先保存計(jì)算結(jié)果，具體過程是翻開File下拉菜單項(xiàng)選擇中Write選項(xiàng)，保存case

和datao然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，如需要看計(jì)算模型的溫度分布，就翻開Display下拉菜單，選中

Contours選項(xiàng)，這個(gè)選項(xiàng)是顯示模型的等值線圖，在Contoursof下拉欄中選中Temperature和Static

Temperature顯示等溫云圖，在Surface中選中需要顯示溫度的面，即可顯示等溫云圖。模型的溫度場(chǎng)分

布如圖3.6所示。

**如明

—comnuly

x-vekcrty

一y-wkcrty

圖3.6顯示了溫度場(chǎng)白七五_min空載運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子永磁體和護(hù)

套溫度最高，最高溫度出現(xiàn)一個(gè)截面上的轉(zhuǎn)子溫差不明顯，

是因?yàn)橛来朋w和護(hù)套的導(dǎo)熱所致。出風(fēng)口側(cè)的轉(zhuǎn)子溫度為到

達(dá)了80℃,而在入風(fēng)口側(cè)取子溫度低于出風(fēng)口側(cè)，是因?yàn)樵?/p>

入風(fēng)口側(cè)內(nèi)風(fēng)道的冷卻空氣側(cè)溫度已經(jīng)上升了，冷卻效果比

入風(fēng)口要差一些。圖a和圖從出風(fēng)口吹出的空氣的平均溫度

高于力圖3.524槽高速電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算迭代殘差曲線齒部，

Fig.3.5Temperaturefieldcalculationiterateresidualcurveof24-slothighspeedmachine

溫度）.................................................................~_電機(jī)各

局部的溫升均未超過平安值，運(yùn)行情況良好。

363e.O2363C402

35i?*02361et02

340-02

346e<023452,02

℃343102入了3430.02

110,340e*02340e-0?

337?*02337e<02

336102335et02

時(shí)，在沒有舟332et02轉(zhuǎn)子3322.02

329e*02329e*0?

3278-02327e.O2

通密度如下尼324?<02324O.02

321?*023210<O2

3lOe-rO2

：83e-02

3M02

579e-?02

3i3e-02

175e-?02

3110*02

S70cf02

308??02

305?Q2X

3處?眥

300^0?，如■

3.4高速電機(jī)的通風(fēng)iso。-失磁前

353o?02

35302但

3@0?O237s

345s?0233e.

3<3e<02

高速電勺2ft?量也較大，所

34g.02

337??0226~失磁后

335x022M

以要設(shè)計(jì)一4332e.O2強(qiáng)迫空氣流動(dòng)來

329?.02I2e?

327et02、08o?

冷卻電機(jī)的。324e?02,由風(fēng)扇帶來

3M02G.OOe-

的摩擦損耗、圖3.72到結(jié)果能力和電機(jī)效

率后來采用學(xué)Fig.3.7Tempe；離nachine冷技術(shù)的冷卻

onnoloadandn*由向長(zhǎng),度/mmondition

裝置價(jià)格較別是汽輪

圖3.8失磁前后轉(zhuǎn)子外表磁通密度分布

Fig.Fig.3.8Distributionofmagneticfielddensityontherotorsurfaceindition

beforeandafterlossofmagnetism

發(fā)電機(jī)中采用了內(nèi)冷系統(tǒng)。內(nèi)冷是指將熱源中產(chǎn)生的