凸极同步电动机流场温度场数值模拟研究

论文摘要

由于无刷励磁同步电动机具有可靠性、稳定性高等优点,无刷凸极同步电动机在工业生产中有着广泛的应用。目前,各类凸极同步电动机大型化设计中的难题都是复杂结构下的冷却问题。在电机研发过程中,系统通风量的大小至关重要,通风量小时,影响电机的安全运行;通风量大时,影响电机的效率。现阶段由于技术、工艺等限制,我国大容量凸极同步电动机依然依赖国外进口。本文以我国目前单机容量较大的27MW无刷凸极同步电动机为研究对象,对电机内部流场及转子温度场进行了研究。首先,建立三维物理模型,采用计算流体动力学方法(CFD),在厂家给定入出口压力条件下,数值计算了转子转速为1500r/min的额定工况下1/8三维整机内部湍流流场,研究转子、磁极间隙及定子压指与风沟中空气的三维速度、静压分布特点,计算结果与另一厂商的计算结果相对误差为0.5%,说明了数据计算的准确性。其次,考虑到传统的等效风路法已不能满足预测峰值温度的要求,现对模型进行三维流动与传热耦合计算,利用厂方给定的热源数据预测电机内详细的温度场,得到温升不超温的最终结构。其中转子最高温度为127.2℃,位置在铜绕组的中心对称面处,与其相邻绝缘层的最高温度为125.7℃,绝缘不超温,电机能够安全运行。最后,研究物性参数、几何结构、边界条件等对流场、温度场的影响。数值实验研究表明在研究电机内部流场时加入周期性边界条件是十分必要的,入口距转子表面距离从485mm到320mm的范围内对电机内部流场影响较小,决定电机内部风路风量的主要因素是风道出口的位置,面积对其影响较小。本文研究方法及结论可为大型凸极同步电动机的通风冷却设计提供理论参考与技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的及意义
• 1.2 凸极电动机冷却技术的研究现状
• 1.2.1 国内研究现状
• 1.2.2 国外研究现状
• 1.3 课题来源及主要研究内容
• 第2章 电机冷却基本理论
• 2.1 电机温升与冷却
• 2.2 CFD在电机内部流动传热的应用
• 2.3 计算流体动力学控制方程
• 2.4 本章小结
• 第3章 凸极同步电动机内部流场分析
• 3.1 模型建立及网格划分
• 3.1.1 物理模型
• 3.1.2 网格的划分
• 3.2 求解域边界条件
• 3.2.1 基本假设
• 3.2.2 数学模型
• 3.2.3 边界条件
• 3.3 计算结果及分析
• 3.3.1 流场风路及空气流量分析
• 3.3.2 转子及气隙区域流场分析
• 3.3.3 定子风沟内流场分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 凸极同步电动机转子内部温度场分析
• 4.1 物理模型
• 4.1.1 转子通风结构
• 4.1.2 三维计算域模型及网格划分
• 4.2 计算域求解条件设置
• 4.2.1 基本假设
• 4.2.2 控制方程
• 4.2.3 求解条件
• 4.3 转子温度场模拟结果分析
• 4.3.1 结果准确性分析
• 4.3.2 转子区流体温度分布
• 4.3.3 转子部件外表面温度分布
• 4.3.4 铜绕组、铜肋片及绝缘体温度分布分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 流场、温度场影响因素分析
• 5.1 周期性边界对流场及温度场的影响
• 5.2 入口距离对流场的影响
• 5.3 出口面积、位置对流场、温度场的影响
• 5.4 转子绕组导热系数各项异性对温度场的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢