南阳防爆（苏州）特种装备有限公司 江苏省 苏州 215211
摘要：我国国民经济的发展，使得我国在高效节能系列的电机发展越来越迅速。高压电机在整个电机系统中的耗能最低，其技术发展对我国的经济发展速度也有一定关联。本文以高压防爆电机作为研究重点，对其定子三维温度场进行计算与分析。
关键词：高压防爆电机；三维温度场；计算
引言
高压防爆电机是一种可以在易燃易爆厂房中使用的一种电机，其特点在于运行的过程中不会产生电火花。但是电机的温度升高会在很大程度上影响到电机的安全运行，甚至关系到电机的效率、出力、运行时间、稳定性等性能指标和经济指标，如果能够控制好电机的温升可以良好的延长电机的使用寿命，因此需要对温度场有一个准确的计算。在对定子三维温度场进行计算与分析之前，需要了解高压防爆电机。
1.高压防爆电机
高压防爆电机在目前主要用于石油化工、化学工业的应用，另外在在纺织、冶金、城市煤气、交通、粮油加工、造纸、医药等部门也被广泛应用。高压防爆电机作为主要的动力设备，通常用于驱动泵、风机、压缩机、振动筛和其他传动机械。随着科技、生产的发展，存在爆炸危险的场所也在不断增加。1.按电机原理分：可分为防爆异步电机、防爆同步电机及防爆直流电机等。将高压防爆电机按使用场所划分可以分为煤矿井下用高压防爆电机及工厂用高压防爆电机[1]。根据防爆原理可以分为隔爆型电机、增安型电机、正压型电机、无火花型电机及粉尘高压防爆电机等。按配套的主机可以分为煤矿运输机用高压防爆电机、煤矿绞车用高压防爆电机、装岩机用高压防爆电机、煤矿局部扇风机用高压防爆电机、阀门用高压防爆电机、风机用高压防爆电机、船用高压防爆电机、起重冶金用高压防爆电机及加氢装置配套用增安型无刷励磁同步电机等。
2.高压防爆电机定子三维温度场的计算与分析
2.1计算模型分析
由传热学基础知道，对于电机稳态导热过程，温度不随时间变化，某一计算区域内的稳态温度场求解问题可以归结为如下的边值问题，对等价泛函进行变分计算时，把上式定义到计算单元的区域范围内。
2.2转子温度场的数值计算
计算模型及基本假设，由于该通风系统沿径向对称，沿轴向通风情况相同，故可以把转子温度场求解域确定为沿轴向2个半个铁心段，周向一个齿距的范围；风路取一个径向通风沟。计算区域基本假设:认为磁场沿电机轴向分布均匀[2]，因此电流矢量密度Ｊ和矢量磁位Ａ只有轴向分量；场区内的各场量按正弦变化，包括磁感应强度、矢量磁位、电流密度等；转子外圆与气隙接触面的散热系数取平均值；转子槽口处闭合；转子铁心中磁场交变频率很低，所以忽略转子铁心的铁损耗；转子铁心中的附加损耗认为在铁心中平均分配；铁心表面损耗认为在一个极薄的体中。
由于电机中流体的雷诺数很大（Ｒｅ>2 300），流体属于紊流，因此采用紊流模型对电机内流体场进行求解；在标准大气压下，忽略电机内空气的浮力和重力对流体场的影响。电机内流场中，流体流速远小于声速，即马赫数Ｍａ很小，把流体作为不可压缩粘性流体处理。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆采用能量方程与流体速度方程相结合，根据流体运动状态和模型的结构特点[3]，给出其边界条件为:1）转子铁心周向截面（S2、S6），转子铁心和转子铜排轴向截面（S3、S7）为绝缘面；2）转子内、外圆（S4、S8）为对流换热面；3）冷却空气入口（S1）为流量入口边界；4）流出转子径向通风沟出口（S5）为压力出口，压力为标准大气压；5）由于转子旋转，冷却空气属于旋转流体，采用旋转边界条件。转子内圆的散热系数可求解管流的动量方程和能量方程，得出管壁对流体的散热系数。
2.3定子温度场的数值计算
计算模型及基本假设，该通风系统沿轴向和径向分别对称，故可以把定子温度场求解域确定为沿轴向半个铁心段[4]，周向一个齿距的范围；风路取通风沟的一半。计算区域基本假定:1）考虑定子绕组铜耗时，上层线棒与下层线棒的损耗按照各股线的平均值加以考虑；2）定子铁心齿部损耗和定子铁心轭部损耗分别在定子铁心齿部和轭部中平均分布；3）槽楔近似当作与槽同宽，并且在气隙中的表面与定子齿部端面共面，槽内的导线绝缘热性能认为与主绝缘相同；4）计算模型中的各项介质的物理参数不随温度变化；5）绕组绝缘与铁心接触良好，与铁心间的接触热阻为零；6）忽略铁心中谐波损耗以及绕组挤流效应导致的附加损耗。
根据电机结构和风路的对称性，给出边界条件为:1）定子铁心周向截面（S4、S8），定子铁心轭部、齿部、绝缘和股线轴向截面（S5）为绝缘面；2）定子内圆和槽楔面（S3）为对流换热面，散热系数与转子内圆散热系数相同；定子外圆（S6）为对流换热面，散热系数可用公式计算；3）冷却空气入口（S1、S2）为速度入口；4）流出定子径向通风沟出口（S7）为自由出口。同样采用有限体积差分隐式迭代收敛格式。通过计算可得出定子径向通风沟截面速度矢量和温度分布。进入通风沟不同入口处的冷却气体速度并不相同，这是由于转子的旋转和通风槽钢的摆放共同作用的结果。进入通风沟的冷却气体速度越来越小，这是因为随着径向高度的增加，流体的流通面积越来越大，流速有所减小。在线棒的末端处，呈现速度降低剧烈，这是因为绕流性流体线棒的存在，使从线棒两侧来的流体在此交汇，它们相互作用，形成涡流。
总体来讲，冷却空气始终保持较低的温升，只是靠近线棒处空气温升稍高，在线棒的末端呈现温度有所增加，这是因为此处冷却气体的速度较低，流体流动状态呈现涡流所致。从定子铁心段最热面的温度分布图可以看出温度最低的位置是槽楔[5]，这是因为槽楔本身不是热源，又位于冷却介质温度最低，风速最大的地方，所以温升较低。模型的最热处出现在定子下层线棒的股线上，这是因为上层线棒与下层线棒的损耗按照各股线的平均值加以考虑[6]，由冷却介质速度矢量图可以看出，上层线棒处风速较大，冷却效果要好于下层线棒，并且与上层线棒接触的槽楔又不是热源，所以下层股线温升较高。
3 结语
本次研究计算了电机定子股线温升的最高值，并且确定了温升最高值所在股线的位置，对于校验绝缘的安全性，具有指导意义。采用流体场和温度场耦合的算法更加贴近实际，计算出的温度场也更加准确，可以为电机优化通风结构提供理论依据，更有效的降低电机的温升。限于当前计算机的运算能力，本文重点分析了高压防爆电机定子三维温度场，发现最好能够取电机定子中部区域作为求解域进行计算，，如果改变定子各径向通风沟进出口风温的大小，对电机的定子温升影响比较大。
参考文献
[1]温嘉斌,王国辉.中型高压异步电动机三维温度场耦合计算与分析[J].电机与控制学报,2011,15(01):73-78.
[2]鲍晓华,吕强,王瑞男,朱庆龙,刘冰.大型高压干式潜水电机定子三维温度场有限元分析[J].大电机技术,2011,(06):8-12.
[3]黄东洙,李伟力,王耀玉,曹钊滨.磁性槽楔对永磁电机转子损耗及温度场影响[J].电机与控制学报,2016,20(01):60-66.
[4]温嘉斌,侯健,于喜伟.定子通风槽钢对中型高压电机内温度场的影响[J].电机与控制学报,2016,20(08):40-47.
[5]张胜男,王春瑞,于京平.高压方箱电机内部三维温度场计算与分析[J].防爆电机,2015,50(04):9-12.
[6]单丽,李向前,鲍晓华.高压干式潜水电机定子温度场奇异性分析[J].电机技术,2012,(03):5-9.
论文作者:杨晶
论文发表刊物:《防护工程》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/22
标签：电机论文; 定子论文; 高压论文; 铁心论文; 转子论文; 流体论文; 温度场论文; 《防护工程》2017年第18期论文;