基于数值分析的大型同步电机内温度场的研究

论文摘要

安全可靠是开发电机产品和在工业系统中应用的基础和前提。基于有限元计算的数值分析方法是一种适用于电机设计的研究方法。对于大型电机而言,单机容量成本的下降,伴随着体积功率密度的增加,将电机内各部件的温升控制在允许范围内需要强化冷却技术来确保电机安全可靠的运行。与以水冷和氢冷为代表的传统大型电机冷却方式的研究深度和应用广度相比,空冷和蒸发冷却方式作为新兴的大型电机冷却发展方向的研究和应用都处于一个相对不足的阶段,这主要是由于对新型冷却方式的应用特点和理论分析的掌握不足所致。由于采用空冷和蒸发冷却技术在使用时不仅分别具有各自的特点和优势,而且在大型发电机组(例如400MW水轮发电机和50MW汽轮发电机)的应用表明,冷却方式的组合应用可以进一步优化电机设计,因此有必要对采用空冷和蒸发冷却技术的电机内的温度场进行深入的研究,为大型电机冷却技术的进一步发展提供依据。本文对大型电机内的温度场进行的研究主要内容包括:稳态和暂态条件下空冷同步电机内的转子电磁发热和温升计算、蒸发冷却电机定子温度场分析。围绕着温度场计算的建模和数值分析,本文针对大型卧式同步电机取得了以下几个方面的成果:第一:针对实心磁极的凸极同步电动机转子的结构特点,首次建立了实心磁极凸极转子三维稳态温度场数值分析模型,通过解析和数值方法对转子表面损耗进行了计算分析,并对转子绕组采用内冷方式进行了研究。第二:首次采用电磁分析与温度场分析直接耦合的方法,为采用实心磁极的凸极同步电动机直接起动过程建立了二维数值分析模型,深入讨论了影响电机起动电磁性能和机械性能以及空冷条件下转子温升的各种因素,为更大容量的直接起动同步电动机的改进冷却系统设计提供了依据。完成了7.5kW实心磁极凸极同步电动机模型转子的设计、制造和试验以及5000kW同步电动机频率参数的测试试验。第三:首次从电机设计的角度,为采用蒸发内冷的电机定子建立了三维数值分析通用模型,经研究发现绕组内壁的换热系数分布是精确计算定子温度场

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表目录
• 符号表
• 第一章 引言
• 1.1 大型电机的冷却方式
• 1.1.1 汽轮发电机
• 1.1.2 水轮发电机
• 1.1.3 同步电动机
• 1.2 电机内温度场及电磁场的分析方法
• 1.2.1 电机内的温度场分析
• 1.2.2 电机内的电磁场分析
• 1.2.3 存在的问题
• 1.3 论文研究目标
• 1.4 论文组织结构
• 第二章 实心磁极同步电动机转子稳态温度场分析
• 2.1 实心磁极同步电动机的特点
• 2.2 同步电动机转子温度场计算模型
• 2.2.1 热传导方程
• 2.2.2 物理模型
• 2.2.3 损耗计算
• 2.2.4 散热系数的确定
• 2.2.5 内外冷却方式的数值仿真比较
• 2.3 结果分析
• 2.3.1 额定工况下三维稳态温度场计算
• 2.3.2 极靴表面附加损耗大小对温度分布的影响
• 2.3.3 导线内外冷方式的比较
• 2.3.4 结论
• 2.4 本章小结
• 第三章 实心磁极同步电动机转子暂态温度场分析
• 3.1 同步电动机的直接起动
• 3.1.1 非同步运行方式概述
• 3.1.2 目前存在的问题
• 3.2 电机内的电磁场分析方法
• 3.3 同步电动机起动过程的场路耦合分析模型
• 3.3.1 回路电压方程
• 3.3.2 定、转子回路的磁链方程
• 3.4 温度场分析
• 3.5 场路耦合仿真程序流程
• 3.6 试验验证
• 3.6.1 试验电机
• 3.6.2 试验接线图
• 3.7 仿真计算及试验分析
• 3.7.1 7.5kW 实心磁极同步电动机模型
• 3.7.2 5000kW 实心磁极同步电动机
• 3.7.3 结论
• 3.8 本章小结
• 第四章 浸润式蒸发冷却发电机定子温度场分析
• 4.1 浸润式蒸发冷却的基本原理
• 4.2 汽轮发电机定子温度场计算
• 4.2.1 电机参数
• 4.2.2 基本假定及物理模型
• 4.2.3 数值分析方程及边界条件
• 4.3 蒸发冷却介质温度、热传导率以及换热系数的确定
• 4.3.1 蒸发冷却介质温度
• 4.3.2 热传导率
• 4.3.3 换热系数
• 4.3.4 边界条件
• 4.4 仿真计算与试验分析
• 4.4.1 额定工况数值计算
• 4.4.2 绕组内冷的影响
• 4.4.3 电机负荷变化的影响
• 4.4.4 冷却器冷凝功率的影响
• 4.4.5 绕组内外冷却能力的影响
• 4.4.6 结论
• 4.5 本章小结
• 第五章 蒸发冷却内冷定子温度场分析
• 5.1 蒸发冷却内冷方式
• 5.2 绕组内冷却工质的流动
• 5.2 单相流动传热
• 5.3 两相流动换热
• 5.3.1 管内沸腾换热系数
• 5.3.2 影响换热的因素
• 5.5 过冷沸腾的流动换热
• 5.6 存在的问题
• 5.7 改进分析方法
• 5.8 仿真计算
• 5.8.1 基本假定
• 5.8.2 边界条件
• 5.8.3 铁心的散热系数
• 5.8.4 仿真计算与试验分析
• 5.8.5 结论
• 5.9 本章小结
• 第六章 温升特征函数
• 6.1 新传热学分析
• 6.1.1 “新传热学”和“旧传热学”的差别
• 6.1.2 电机内的温度场分布规律
• 6.1.3 基于新传热学概念的温升特征函数
• 6.1.4 温升特征函数的应用实例
• 6.2 温升特征函数的研究意义
• 6.3 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 论文的主要成果
• 7.2 研究展望
• 参考文献
• 附录A 利用VC++编制基于ANSYS 的电机设计分析软件
• 附录B 频率参数测量方法
• 作者攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 独创性声明
• 关于论文使用授权的说明