发电机温度场分析和数值计算说明
电机的温升计算是发电机设计中的主要内容之一,温升过高或局部温升过高,会影响到发电设备的安全性,严重时会使整个定子烧毁,或使定子绕组绝缘损坏而引起股间短路,造成极大的经济损失;相反,如果温度过低,会造成铜、铁、绝缘等材料的浪费,增加电机制造成本。因此,研究一种准确可行的计算电机内部温升的方法是十分必要的。
就目前而言,温升的计算方法主要有:简化公式法,等效热路法、温度场法和热流耦合场法。其中,热流耦合场法是最接近于实际的方法。因为,电机内的各种物理场是相互影响、相互制约的,是有一定耦合关系的综合物理场,是一个多个学科综合的交叉学科。就电机部件内温度及其分布而言,除了其自身的材料性质之外,主要依赖于热源和电机通风情况。孤立地求解电机内温度场而不考虑它们之间的相互影响,就会由于初始条件的变化而使计算结果失去准确性。因而要想准确地精确地计算出电机的温度分布,就必须将这些因素的相互影响在计算时加以综合考虑。所以对于电机内部耦合场的研究也就越来越引起人们的关注。
本文以临安水涛庄电站SFW2-J1000-8/1180水轮发电机为例,对其通风冷却系统建立流体及热耦合场分析模型,对定子和转子的温度场进行数值模拟分析.
2 热流耦合场模型的建立
2.1 热流耦合分析的物理模型.
物理模型是严格按照水轮发电机SFW2-J1000-8/1180设计图纸建立的。根据电机结构的对称性,建立了发电机结构的1/2作为分析模型如图2.1所示。由于模型的复杂性,为了保证计算的可行性,在保证计算准确性的前提下对流场和温度场求解区域结构上做出如下假设。
1. 简化掉转子磁极阻尼环和端箍支架、端部线圈连接线等细节。
2. 定转子线圈和其绝缘被看作是一个整体,定子铁心也作为整体处理。

图2.1 :1/2物理模型
2.2分析的流体域模型
流体域模型是在物理模型基础上建立的。如图2.2所示。

图2.2 :1/2流体域模型
3 有限元分析
3.1数学模型及控制方程
电机内部通风散热计算是一个多学科耦合的问题,主要涉及到材料学、电磁学、传热学、流体动力学。本例主要着眼于流场和温度场二者互相影响、互相耦合的模拟仿真问题。电机工作时,通入的空气介质与固体之间、固体与固体之间将产生对流换热和导热过程,其原理主要是传热学中的传热基本定律。
在热力学第一定律基础上,结合傅里叶定律,获得温度场数学表达式,再得到导热微分方程。推导出的笛卡尔坐标系下三维非稳态导热微分方程的一般形式如下:

其中,导热物体中的任意点坐标为(x,y,z),在该点分割出一个平行六面体微元dV,单位体积发热率为Φ,ρ 、c、τ —为微元体的密度、比热容和时间
对于对流换热问题,用数学方法解决时要求解包括两种情况的方程组:质量的连续性方程、动量的运动方程
和能量守恒方程。
1.连续性微分方程:

2.运动微分方程

3.能量微分方程

式中:cp-比热容(j/(kg.k));ρ-密度(kg/m3);λ-导热系数(W/(m.k))。上述四个方程是采用UG NX软件进行三维数值模拟的理论依据。
3.2求解类型的选择
UG NX热和流是一个综合的热传递和流仿真套件,它将热分析和计算流体动力学 (CFD) 分析结合起来了。这两个求解器可以单独运行,也可以一起运行,本例需要一起运行。对于流解算方案类型,采用标准的湍流κ-ε两方程模型。
3.3仿真边界条件
该发电机通风系统的冷却介质为空气,忽略浮力影响;空气的流速小于声速,可以不计流体的压缩性,作为不可压流体运动来处理;系统无外力影响,边界条件自动建立,环境温度取40℃。
通风系统的边界条件有:一是进出口为开口流。二是1/2对称处为对称面。三是定转子空气域网格,实体网格。四是空气流动面。壁摩擦设为光滑-有摩擦,无滑动壁。五是移动旋转框;旋转转速为额定转速750r/min.
热边界条件有:1.仿真对象,磁极线圈与极身磁轭之间的耦合,因有绝缘板可看为是绝热即不进行热传递. 风扇与磁轭之间的耦合。2.热约束,对流到环境:磁极线圈迎风面,极靴面与定子铁心内圆面、定子铁心通风槽面、定子线圈直线部分、定子线圈端部、定子空气域与机座壁之间的对流。传热系数的确定:是根据通风系统流场分析后得到风速决定的。3.热载。磁极线圈、极靴、定子线圈、定子铁心等损耗分别为11050/2、975、15140/2、5240/2(w).
3.4有限元解算结果
热流耦合法可以看做是流体动力学和传热学运动基本方程控制下,对流场和温度场的耦合数值模拟。通过这种数值模拟,我们能得到极其复杂问题的流场和温度场内各点位置上的基本物理量,如风速、风压、温度等的分布,以及旋涡分布特性。
图3.1是电机各部分温度分布图。定子线圈的最高温度在直线部对称面处为79.01℃,端部为67.7℃;磁极线圈背风面对称处81.84℃,迎风面为76.18℃,相差5℃左右;定子铁心最高温度处于外端53.19℃,转子轭最高温度处于对称处为50.9℃;定子空气域如图3.2,与机座接触面约为44.7℃。

图3.1 电机各部温度分布图

图3.2 电机空气域图
4.电机运行数据
从电机运行日志上可看出,模拟值与电机运行数据非常吻合,证明了用热流耦合法求解电机内温度是很准确的,完全可以代替实验

5结论
电机内温度及其分布的准确计算有赖于电机各部件的表面散热系数,表面散热系数计算是以流过物体表面的流体速度而定的,所以说电机各部分的热计算有赖于通风计算;所以电机的热计算是流场和温度场耦合求解的过程。采用UG NX 热流耦合模块功能,能够准确地模拟发电机内部流场和温度场分布,为发电机设计、研发和优化提供有效依据。