座人电机温升分析研究

电机温升分析研究

随着电机制造工业的发展，电机的单机容量不断增人，经济技术指标(包括热负载)也普遍提高。电机运行时产生的单位体积损耗也随之增长，这就引起电机内部各个部件的温度升高，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，造成极人的经济损失；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。此外，温度问题也直接影响到电机的寿命和运行可靠性，所以电机散热分析研究是电机设计出特别是人型电机设计叫J的重要问题。

1 电机温升计算方法

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、温度场法和耦合场法。

1．1 简化公式法

简化公式法是电机制造厂常用的方法，首先要计算出各部件的负载Q，再通过牛顿散热公式计算：

这种方法的优点是计算简单，因此易于被工厂接受；缺点是不太精确，不够完整，只能计算出电机的-甲均温升，而不能知道最高温升以及产生最高温升的具体部位，不能满足日益提高的设计工作的需要。

1．2 温度场法

温度场法是用现代数值方法来求解热传导方程，也就是将求解区域离散成许多小单元，在每个单元中建立方程，再对总体方程组进行求解。由此可见，温度场法将研究对象从宏观转为微观，从总体转到局部单元，求得每一点的温度和温升，对整个计算区域中的每个局部单元都能获得可靠的计算数据，从而更加准确、合理地指导对电机的设计。这就很好的满足了发电机单机容量的不断增人以及电磁负荷的不断提高，要求对电机各部分的温升进行较精确的计算，尤其需要准确的指出各部分的最高温升及其出现的位置这一要求。这种方法是由E．阿罗尔德提出来的，后来P．李克杰尔和o．波姆又进行了研究。l974年，A_N．鲍里先科等人给出了用电子计算机求解温度场的一些方法和实例。

在电机温升的计算中，等彼时效热路法、络拓扑法、有限差分法、有限元法都属于数值计算方法。但前两种方法本质上是基于场路结特别是高性能塑料依然依赖进口材料合的思想，有限差分法、有限元法才是实际意义上温度场的数值计算方法。这两种方法都是采取离散化来求解偏微分方程近似数值解的方法。更具体的说，有限差分法从微分方程出发，将区域经过离散处理后，近似地用差分、差商来代替微分、微商，这样微分方程和边界条件的求解就归结为求解一个线性代数方程组，得到的是数值解。这种方法特别适用于现代数字电子计算机的运算，所以，有限差分法直到现代有强人的生命力。C．E．Tindall等在1988年较早地应用三维有限差分法进行了凸极电机的热计算。2000年，张新波、许承千进行了电机温度场的计算。

而有限元法是以变分原理和剖分插值为基础的一种数值计算法。它首先利用变分原理把所要求解的边值问题转化为相应的变分问题，也就是所谓泛函的极值问题；然后利用剖分插值将变分问题离散化为普通多元函数的极值问题；最终归结为一组多元的代数方程组，解之即得待求边值问题的数值解。差分法只看到了节点的作用，而未考虑把节点联结起来的单元的本身特性。而就是这些单元，它们才构成整体的基本细胞，在各节点温度(或其它)的计算过程中，单元会起到自己应有的“负献’’，有限单元法恰恰抓住了单元的负献，使得这种方法具有很人的灵活性和适应性。有限单元法是对古典近似计算的归纳总结，它吸收了有限差分法中离散处理的内核，又继承了变

分计算中选择试探函数并对区域积分的实验结果可以查询和打印（力-位移合理方法。在有限元法中，由于对单元作了积分计算，就充分估计了不l—J单元对节点参数的不l—J负献，从而克服了有限差分法误差分析方而的研究还不够成熟的缺点。上海交通人学杨美伦、张景铸采用四而体单元有限元法对300MW汽轮发电机副槽通风氢内冷转子槽部温度场进行了计算。季围瑜应用有限元法对凸极l—J步发电机定子、转子温度场进行了计算和分析，提出计算凸极l—J步发电机对流换热边界而的散热系数的一般方法。从趋势上看试验机软件有问题了怎么办？，该法在80年代末期和90年代己成为电机温度

场计算的主流方法。90年代中期，围内外研究人员的兴趣己经不局限于该方法在电机上的一般应用，而是更为火心在具体问题的解决上。由上述文献可见，有限元的应用主要限于定子或是转子，电机作为一个整体，还需要做人量的工作。

近些年来，随着数值计算方法的发展，一些新的分析方法也被引入到电机温度场的计算领域，例如边界元法、小波一伽辽金有限元法等。考虑到各种电机温度场数值计算方法的复杂复杂性，尤其是边界条件难以确定，各种材料的导热系数也难以获取，从而影响了计算结果的精度，E．Chauveau等还采用统计学叫J的蒙特卡洛方法，考虑了绕组的热各向异性，计算了绕组最热段温度。

1．3 耦合场法

正如前而所言，电机内的各种物理场是相互影响、相互制约的，是有一定耦合火系的综合物理场，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枷而言，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。一般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枷，就必须将这些因素的相互影响在计算时可以综合考虑。所以对于电机内部耦合场的研究也就越来越引起人们的火注。200 1年，L_J．Mia0等人电机内的电磁场、流场、温度场、形变场进行了综合的分析，根据相似理论和对偶原理建模，主要是用于解决三峡电机叫J局部过热

和变形的问题。首先依靠计算、模型试验和经验确定了传热系数，然后用三维有限元法计算了温度场。Weili Li等人在同步电机内进行了磁场计算、然后利用FVM对定子的径向通风沟内的流场进行了二维计算，用其结果计算了定子表而的散热系数，然后求解其温度场，并且对不同角度通风对温度场的影响。

2 结语

随着计算机技术的不断发展，数值计算方法的引入，电机温升计算方法也在不断发展。上述四类电机温升计算方法，它们各有优点，但也存在明显缺陷。如何克服各类方法的缺点，结合各方法的优点，进行科学、有效的温升计算仍是围际电机学科前沿性课题和难题之一。