大型異步電機(jī)通風(fēng)散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、大型異步電機(jī)通風(fēng)散熱優(yōu)化設(shè)計(jì)上海交通大學(xué)學(xué)位論文the optimization of stator's structure of large-scale inductionmotor碩士姓名：羅勇林專 業(yè)：電機(jī)與電器學(xué) 號(hào)：1050319027研宄方向：電機(jī)控制指導(dǎo)導(dǎo)師：趙繼敏副教授上海交通大學(xué)電子信息學(xué)院2007年12月摘要隨著大型電機(jī)制造技術(shù)的發(fā)展，大型電機(jī)內(nèi)部單位體積內(nèi)發(fā)熱量隨之增加，這樣對(duì)電機(jī)通風(fēng)散熱就提出了更高的要求。本課題提出了一種基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)的大型異步電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)散熱分析計(jì)算方法，該分析計(jì)算方法與以往的研宂電機(jī)通風(fēng)散熱的方法相比，其可以減少樣機(jī)試制、縮短研發(fā)周期、

2、降低開(kāi)發(fā)成本的b的。本課題分析了大型異步電機(jī)內(nèi)部熱源的分布及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分析了大型異步電機(jī)內(nèi)部空氣流場(chǎng)的特點(diǎn)，將異步電機(jī)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，然后利用流體動(dòng)力學(xué)軟件fluent對(duì)五種不同的定子通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行比較，優(yōu)個(gè)電機(jī)的溫度場(chǎng)以及空氣流場(chǎng)。在異步電機(jī)模型簡(jiǎn)化時(shí)，利用電機(jī)相似性 原理將轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行折算，首次利用fluent軟件的mrf模塊分析轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)對(duì)異步電機(jī)通風(fēng)散熱的影響，分析表明運(yùn)用流體動(dòng)力學(xué)分析技術(shù)對(duì)異步電機(jī)內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬是完全可以實(shí)現(xiàn)的，其計(jì)算結(jié)果可作為電機(jī)通風(fēng)散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的參考依據(jù)。關(guān)鍵詞：大型異步電機(jī)，通風(fēng)溝，風(fēng)路，熱路，數(shù)值計(jì)算，有限體積法，溫度場(chǎng)，流場(chǎng)-i-the opt

3、imization of stator's structure of large-scale inductionmotorabstractwith the development of the design of large-scale motor, the thermaldensity is becoming larger, so that it is much more important to improve theventilation of inner motor. in this thesis a new kind of method to calculatemotor i

4、nner ventilation is introduced. the new method can save designingcost and is easy to carry out than the old one which needs to build real motormodel.in this thesis the source of heat in the large-scale induction motor isanalyzed, as well as the structure of the large-scale induction motor and theair

5、 flow field inside of the induction motor. then give a simplified motor modelwhich can be used to simulate the ventilation and heat transfer of the motor.the motor, also the inner thermal field and flow field of the motor are givenvia fluent. five types of stator ventilation channel of induction mot

6、or areanalyzed by fluent respectively, then the best type of stator ventilationchannel can be chosen comparing their ventilation resistance. the inductionmotor which is the best one is analyzed by fluent, so we get the thermal fieldand flow field inside of the induction motor. in the thesis the theo

7、ry of similargeometry of motor and the mrf model of fluent are used. at last cfd methodis proved the proper and easy method to design the ventilation structure oflarge-scale-ii-motor, and the analytic result can help us to choose the right ventilationstructure of large-scale induction motor.key word

8、s: large induction motor, ventilation channel, ventilationcircuit, thermal circuit, numerical simulation, finite volume method, thermalfield, flow field-iii-目錄第一章概.11.1概11.2電機(jī)通風(fēng)散熱的必要性11.3課題研宄的意義與所采用的研宄方'法21.4論文結(jié)構(gòu).3第二章異步電機(jī)通風(fēng)散熱基本問(wèn)題42.1異步電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)型k42.2異步電機(jī)內(nèi)部熱源分42.3異步電機(jī)的穩(wěn)定溫52.4電機(jī)通風(fēng)模型分析法52.5風(fēng)路和熱路分析'

9、;法62.6本文研宄的對(duì)象82.6.1電機(jī)基本參2.6.2電機(jī)各部分尺82.6.3進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)口的布s102.7 cfd數(shù)值計(jì)算思路分*斤11第三章流體力學(xué)及熱力學(xué)基本原理及其在電機(jī)中的應(yīng)ffl133.1流體動(dòng)力學(xué)控制方矛呈133.1.1質(zhì)量守恒方矛呈133.1.2動(dòng)量守恒方程-133.1.3能量守恒方fg143.1.4狀態(tài)方矛呈143.1.5守恒方程在異步電機(jī)cfd數(shù)值計(jì)算中的作3.2異步電機(jī)通風(fēng)散熱的傳熱學(xué)基礎(chǔ),143.2.1熱傳導(dǎo)基本定律15-iv-3.2.2對(duì)流傳153.2.3異步電機(jī)的cfd數(shù)值計(jì)算與風(fēng)路和熱路計(jì)算的區(qū)另 ij163.3牛頓流體基本特17第四章cfd技術(shù)及fujent

10、軟件簡(jiǎn)介194. 1cfd技術(shù)簡(jiǎn)介194.1.1 cfd技術(shù)現(xiàn)>1 犬194.1.2 cfd技術(shù)基本原j1194.1.3 cfd研究方法簡(jiǎn)4.1.4 cfd工作流程4.1.5 cfd軟件的結(jié)224.2 fluen軟件簡(jiǎn)4.2.1fujent軟件的組234.2.2 fluent軟件的物理模型及其應(yīng)用領(lǐng)244.2.3本文所用前置處理器gambit254.2.4 fluen下解決問(wèn)題的步驟254.2.5 fluent軟件的各項(xiàng)功能簡(jiǎn)264.2.6 fluent化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)31第五章定子通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)分豐斤325.1模型的簡(jiǎn)5.2模型的建5.3 fluent屮分析計(jì)345.3.1設(shè)置求解器345.3

11、.2設(shè)置粘性計(jì)算模3345.3.3定義材料屬14345.3.4邊界條件設(shè)s355.3.6計(jì)算結(jié)果及分牛斤36第六章定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝綜合分析386.1模型的簡(jiǎn)38-v-6.2模型的建立416.2數(shù)值分析計(jì)6.2.1檢查網(wǎng)豐各6.2.2光順網(wǎng)%6.2.3調(diào)整尺6.2.4設(shè)置求解434444器.446.2.5設(shè)置物質(zhì)屬性件件數(shù)446.2.6設(shè)置工作條446.2.7設(shè)置邊界條446.2.8設(shè)置求解器參6.2.9設(shè)置殘差監(jiān)視6.2.10求解器初始454546466.2.12計(jì)算結(jié)果及分t斤47第七章異步電機(jī)通風(fēng)散熱分豐斤497.1異步電機(jī)通風(fēng)散熱分*斤497.1.1異步電機(jī)通風(fēng)散熱的特點(diǎn)497.1.2通風(fēng)散

12、熱模型的簡(jiǎn)497.1.3電機(jī)內(nèi)部的風(fēng)5#517.2 gambit 中建模527.2.1異步電機(jī)通風(fēng)散熱幾何模型的建al527.2.2劃分網(wǎng)557.2.3邊界條件的設(shè)fi577.3 fluent分析計(jì)算-597.4新案比較71第八章展望與結(jié)&74縮略i吾75參考文獻(xiàn)76-vi-致i射78攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文h錄79-vii-第一章概述1.1概述電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展屮具有重耍的作用，因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)幾乎是所有機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力元件，而且隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)制造行業(yè)產(chǎn)品也在不斷機(jī)的設(shè)計(jì)制造帶來(lái)了一定難度。電機(jī)設(shè)計(jì)工作首先需要考慮兩方面問(wèn)題：一是技術(shù)指標(biāo)；二是經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。對(duì)于異步電動(dòng)機(jī)而言，技術(shù)指

13、標(biāo)包括效率、功率因數(shù)、起動(dòng)力矩倍數(shù)、起動(dòng)電流倍數(shù)、最大轉(zhuǎn)矩倍數(shù)、溫升。這六項(xiàng)指標(biāo)的規(guī)定性能必須滿足才是合格產(chǎn)品；而經(jīng)濟(jì)指標(biāo)也就是產(chǎn)品的銷售價(jià)格，設(shè)計(jì)工作的任務(wù)就是要保證產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)的前提下盡可能降低成本，以獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益。電機(jī)設(shè)計(jì)為了滿足技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，其設(shè)計(jì)工作采用一定的步驟。通常有如下一些步驟：一、電磁設(shè)計(jì)；二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；三、施工設(shè)計(jì)；四、工、夾、模、量具的設(shè)計(jì)；五、工藝設(shè)計(jì)。而電磁設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵和根本，因?yàn)榻?jīng)過(guò)這兩個(gè)步驟的設(shè)計(jì)可以確保電機(jī)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)得到滿足，而且也兼顧到經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。電機(jī)電磁設(shè)計(jì)按照電磁設(shè)計(jì)程序確定一個(gè)合理的電磁方案，經(jīng)過(guò)這個(gè)階段的設(shè)計(jì)將確定定子鐵心、轉(zhuǎn)

14、子鐵心、定子繞組、轉(zhuǎn)子繞組（導(dǎo)條）的冇關(guān)材料、規(guī)格、幾何尺寸，并且還在這一階段對(duì)電機(jī)在額定狀態(tài)運(yùn)行的穩(wěn)定溫升進(jìn)行校核；而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是確定電機(jī)通風(fēng)冷卻方式的具體結(jié)構(gòu)，確定定、轉(zhuǎn)子繞組的槽部及端部固定結(jié)構(gòu)以及轉(zhuǎn)子繞組（導(dǎo)條）的絕緣結(jié)構(gòu)等。只有保證電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)冷卻充分才能使電機(jī)在額定狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。因?yàn)樵陔姍C(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。1.2電機(jī)通風(fēng)散熱的必要性電機(jī)設(shè)計(jì)的基本規(guī)律說(shuō)明，單機(jī)容量越大，功率因數(shù)往往越高，因而電機(jī)單位體積的發(fā)熱量增加，這樣只有提高電機(jī)冷卻效率才能保證電機(jī)長(zhǎng)期工作在允許的溫升范圍內(nèi)。-1-小型電機(jī)并不需要額外采取措施進(jìn)行通風(fēng)散熱。由于小型電機(jī)額定功率

15、比較小，其由損耗引起的熱量不大，通常可以通過(guò)自然通風(fēng)等方式進(jìn)行散熱；但是對(duì)于大中型電機(jī)來(lái)講，其額定功率比較大，在電機(jī)內(nèi)部因?yàn)閾p耗而引起的熱量會(huì)在電機(jī)內(nèi)部引起相當(dāng)高的溫升，即使采取一定的散熱措施。為了保證電機(jī)能長(zhǎng)期運(yùn)行在設(shè)計(jì)要求的工作狀態(tài)，必須采取強(qiáng)制冷卻措施才能帶走損耗引起的熱量。雖然采取強(qiáng)制措施需要在電機(jī)上增加額外的設(shè)備，并增加生產(chǎn)和運(yùn)行成本，但是這樣即能夠提高電機(jī)的利用率，又能夠保證電機(jī)按照設(shè)計(jì)要求正常運(yùn)行，所以總的來(lái)說(shuō)還是合算的。采取的強(qiáng)制冷卻措施會(huì)因?yàn)殡姍C(jī)類型及結(jié)構(gòu)不同而不同。按照冷卻的介質(zhì)來(lái)分，電機(jī)冷卻方式大致可以分為：空氣冷卻、氫冷卻、液冷、液（水）-氫冷卻、蒸發(fā)冷卻等；而對(duì)于異步

16、電機(jī)，主要采用空氣通風(fēng)冷卻為主，而對(duì)于容量大于10mw的異步電機(jī)也可以采用水冷或者部分水冷。這也說(shuō)明對(duì)于大型異步電機(jī)來(lái)講，通風(fēng)散熱是必須的。1.3課題研究的意義與所采用的研究方法電機(jī)的通風(fēng)散熱具有重要的意義，但是研宄電機(jī)通風(fēng)散熱的方法在引入流體數(shù)值計(jì)算之前，通常都是采用電機(jī)通風(fēng)模型的力*法來(lái)進(jìn)行模擬測(cè)量，或者采用風(fēng)路和熱路相結(jié)合的辦法來(lái)進(jìn)行近似計(jì)算。采用電機(jī)通風(fēng)模型的方法其成本高，而且進(jìn)行建模試驗(yàn)測(cè)量周期長(zhǎng)，如果需要進(jìn)行電機(jī)結(jié)構(gòu)修阻和熱導(dǎo)率等很多參數(shù)需要憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)定，這會(huì)引起誤差，同時(shí)風(fēng)路和熱路計(jì)算節(jié)點(diǎn)數(shù)決定了計(jì)算的精度，節(jié)點(diǎn)數(shù)少精度差，而節(jié)點(diǎn)數(shù)多精度能稍微提高，但是計(jì)算量會(huì)增加。所以有必

17、要采用靈活性高而且計(jì)算精度也很高的方法，而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)特別是數(shù)值計(jì)算技術(shù)的提高，為cfd方法在電機(jī)通風(fēng)散熱上的應(yīng)用帶來(lái)了可能。本文采用cfd方法對(duì)電機(jī)內(nèi)部風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)進(jìn)行分析計(jì)算，優(yōu)化電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝的結(jié)構(gòu)，分析出電機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)和流場(chǎng)，計(jì)算出電機(jī)各部分在額定運(yùn)行狀態(tài)下的溫升情況，這樣非常直觀和清楚。同時(shí)由于只需要改變電機(jī)的三維模型，這不但節(jié)約了成本也節(jié)約了分析計(jì)算時(shí)間。所以說(shuō)應(yīng)用cfd方法對(duì)電機(jī)通風(fēng)散熱進(jìn)行分析具有重大的意義，對(duì)子電機(jī)制造廠來(lái)說(shuō)具有重大的經(jīng)濟(jì)效益。-2-1.4論文結(jié)構(gòu)本文結(jié)構(gòu)如下：第一章概述第二章異步電機(jī)通風(fēng)散熱基本問(wèn)題。主要分析異步電機(jī)通風(fēng)散熱型式，異步電機(jī)內(nèi)部熱源的分

18、布，異步電機(jī)溫升的概念，以及人們常用的分析異步電機(jī)通風(fēng)散熱的方法和本文所研宄對(duì)象的參數(shù)。第三章流體力學(xué)及熱力學(xué)基本原理及其在電機(jī)中的應(yīng)用。主要分析在異步電機(jī)內(nèi)部涉及到的流體力學(xué)和熱力學(xué)相關(guān)原理，分析異步電機(jī)閃部風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)的特點(diǎn)以及異步電機(jī)內(nèi)部空氣作為主要介質(zhì)的介質(zhì)特點(diǎn)。第四章cfd技術(shù)及fujent軟件簡(jiǎn)介。主要介紹了 cfd技術(shù)現(xiàn)狀、原理及軟件結(jié)構(gòu)，也介紹fluent軟件。第五章定子通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)分析。主耍分析五種不同定子通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)的風(fēng)阻，比較其優(yōu)劣，為異步電機(jī)通風(fēng)散熱分析打下基礎(chǔ)。第六章定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝綜合分析。主要綜合分析定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同方案的總的風(fēng)阻，根據(jù)總的風(fēng)阻得出風(fēng)阻最小的定子通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)方案

19、。第七章異步電機(jī)通風(fēng)散熱分析。這是本文的重點(diǎn)，經(jīng)過(guò)第五章和第六章的分析可以知道方案2是最優(yōu)的方案，于是在木章建立異步電機(jī)三維模型分析計(jì)算其內(nèi)部通風(fēng)散熱情況，得出電機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)和速度流場(chǎng)。并且適當(dāng)更改定子和轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)得到新的方案，通過(guò)新方案的計(jì)算來(lái)檢驗(yàn)fluent軟件能否真實(shí)反應(yīng)結(jié)構(gòu)對(duì)溫度場(chǎng)和流場(chǎng)的影響。第八章展望與結(jié)論。肯定了 fluent軟件在異步電機(jī)通風(fēng)散熱數(shù)值計(jì)算中的作用，并且提出在將來(lái)異步電機(jī)的設(shè)計(jì)制造計(jì)算機(jī)會(huì)越來(lái)越重要。-3-第二章異步電機(jī)通風(fēng)散熱基本問(wèn)題2.1異步電動(dòng)機(jī)的通風(fēng)型式絕大多數(shù)異步電機(jī)都是以空氣為冷卻介質(zhì)的冷卻系統(tǒng)4，這里將異步電機(jī)的冷卻統(tǒng)稱為異步電機(jī)的通風(fēng)。空氣冷卻有

20、自冷、自扇冷、他扇冷、管道通風(fēng)冷卻、自由循環(huán)通風(fēng)、封閉循環(huán)通風(fēng)和熱管冷卻等多種型式，其中以自扇冷式最為常用。按電機(jī)內(nèi)冷卻空氣流動(dòng)的方向，空氣冷卻系統(tǒng)又可以分為徑向、軸向和徑向-軸向混合式三種。軸向通風(fēng)系統(tǒng)便于安裝直徑較人的風(fēng)扇，以加大風(fēng)壓和風(fēng)量，也可以減少軸向長(zhǎng)度，加工工時(shí)也較少；其主要缺點(diǎn)是沿軸向的冷卻不均勻和不利于轉(zhuǎn)子上部件的鼓風(fēng)作用。在徑向通風(fēng)系統(tǒng)中，通常是利用裝在電機(jī)兩端的兩個(gè)風(fēng)扇的扇風(fēng)作用，其外徑與轉(zhuǎn)子外徑大體相同，冷卻空氣由電機(jī)兩端進(jìn)入，經(jīng)鐵心中部風(fēng)道，沿徑向由基座屮部排出。這種系統(tǒng)的對(duì)稱性好，電機(jī)內(nèi)部溫度比較均勻，在中型以上電機(jī)中獲得較為廣泛的應(yīng)用?；旌鲜酵L(fēng)主要用于8極以上的較

21、低速電機(jī)。異步電機(jī)冷卻技術(shù)的關(guān)鍵在于通風(fēng)元件(風(fēng)扇、冷卻器)及派生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，大型異步電機(jī)也逐步向封閉式空-空冷卻器和空-水冷卻器方向發(fā)展。2.2異步電機(jī)內(nèi)部熱源分析異步電機(jī)的各種損耗是異步電機(jī)發(fā)熱的內(nèi)在因素，所以要分析計(jì)算異步電機(jī)內(nèi)部的通風(fēng)散熱情況，首先必須了解異步電機(jī)內(nèi)部的發(fā)熱情況，即各種損耗的數(shù)值大小以及分布情況。異步電機(jī)的損耗可以分為以下幾大類2 4：(1) 鐵損耗，分為基本鐵損耗和附加損耗。對(duì)于異步電機(jī)來(lái)說(shuō)，只考慮定子鐵心中的基木鐵損耗，即主磁通交變引起的磁滯和渦流損耗。(2) 銅損耗，分為定子銅損耗和轉(zhuǎn)子銅(鋁)損耗，為繞組導(dǎo)線中的銅損耗(常稱為基本銅損耗)和槽內(nèi)橫向漏磁通使導(dǎo)線截

22、面上電流分布不均勻所增加的附加銅損耗。-4-(3) 雜散損耗8，異步電機(jī)的雜散損耗是指電機(jī)中除了鐵損耗、銅損耗和機(jī)械損耗以外的所有損耗，其分布在定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心處。（4）機(jī)械損耗，包括軸承損耗和通風(fēng)損耗（包括風(fēng)摩損耗）。軸承損耗是電機(jī)端部處軸承由于摩擦而引起的損耗，其熱量主要分布在電機(jī)的軸承和端蓋部分。通風(fēng)損耗是冷卻空氣在電機(jī)內(nèi)部由于相對(duì)運(yùn)動(dòng)而摩擦產(chǎn)生，其損耗與電機(jī)內(nèi)部各個(gè)面的光滑度以及電機(jī)|aj部冷卻空氣的速度有關(guān)。2.3異步電機(jī)的穂定溫升異步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)由于損耗產(chǎn)生的熱量，在電機(jī)剛開(kāi)始起動(dòng)時(shí)幾乎全部導(dǎo)致異步電機(jī)本身溫度的提高，溫度上升得很快。隨著異步電機(jī)溫度的升高，異步電機(jī)與周圍介質(zhì)之間

23、的溫差逐漸增大，異步電機(jī)向外散出的熱量也逐步增多。這樣，能夠提供異步電機(jī)溫度的熱量就減少，異步電機(jī)溫度的升高也就逐漸緩慢下來(lái)。最后，異步電機(jī)中產(chǎn)生的熱量全部傳給周圍介質(zhì)，異步電機(jī)的溫度就不再升高，達(dá)到了熱穩(wěn)定狀態(tài)。這時(shí)異步電機(jī)每秒鐘產(chǎn)生的熱量剛好等于每秒鐘向周圍介質(zhì)散出的熱量。這個(gè)溫度就叫做異步電機(jī)的穩(wěn)定溫度。異步電機(jī)在額定負(fù)載下長(zhǎng)期運(yùn)行達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，異步電機(jī)各部件 溫升的允許極限值，我們稱為異步電機(jī)溫升限度8。異步電機(jī)的冷卻決定了異步電機(jī)的散熱能力，而散熱能力決定了異步電機(jī)的溫升，溫升又直接影響異步電機(jī)的壽命和出力，由此可見(jiàn)冷卻問(wèn)題對(duì)電機(jī)具有重要意義。目前，異步電機(jī)中有效材料的利用率不斷

24、提高，因此提高其散熱能力、改善冷卻系統(tǒng)成為異步電機(jī)設(shè)計(jì)制造屮控制溫升、增大出力和減輕重量、降低成本的重要手段。解決異步電機(jī)的冷卻問(wèn)題首先應(yīng)確定冷卻介質(zhì)、冷卻方式以及風(fēng)路系統(tǒng)，也就是要確定用什么介質(zhì)帶走異步電機(jī)中所產(chǎn)生的熱量，以及這些介質(zhì)在異步電機(jī)內(nèi)的流動(dòng)方成。異步電機(jī)冷卻的根本任務(wù)是散發(fā)掉異步電機(jī)內(nèi)部的損耗（熱量），使異步電機(jī)各部溫升維持在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍之內(nèi)，以保證異步電機(jī)有效地運(yùn)行。2.4電機(jī)通風(fēng)模型分析法研宂電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)必須變更各種具體結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)速，這在真機(jī)上來(lái)說(shuō)是難以實(shí)現(xiàn)的，采用-5-模型研究通風(fēng)系統(tǒng)是一個(gè)有效的辦法。采用空氣通風(fēng)模型的特點(diǎn)是:1）2）以空氣為介質(zhì)，可以忽略浮力影響；電機(jī)內(nèi)

25、流體ma數(shù)（馬赫數(shù)）不大，故可以不計(jì)流體的壓縮性，即作為不可壓縮流體運(yùn)動(dòng)來(lái)處理。3）4）只研究穩(wěn)定狀態(tài)，即定常流動(dòng)。所以通風(fēng)模型一般都是采用幾何相似的辦法，以滿足動(dòng)力相似（eu和re相等，如果eu相等，則兩個(gè)系統(tǒng)的壓力和速度分布能彼此相似；如果re相等，則說(shuō)明兩個(gè)系統(tǒng)的摩檫力處處相似），基于上述的特點(diǎn)，在建立通風(fēng)模型時(shí)通常按照一定比例（1:5）對(duì)實(shí)際電機(jī)縮小，而對(duì)于模型中因?yàn)槌摺太小而無(wú)法建立部分，這時(shí)需要采用集屮單元的辦法，即將風(fēng)溝（隙）的數(shù)量減少到原來(lái)的1/5,而每一通風(fēng)溝（隙）的寬度仍維持原來(lái)大小，則總的過(guò)流面積仍符合幾何比例條另行設(shè)計(jì)單件模型來(lái)模擬。5）同。6）但是也必須說(shuō)明的是，電

26、機(jī)通風(fēng)模型跟真機(jī)還是存在比較大的差別：而為了維持與實(shí)物相同的摩擦阻力，模型通風(fēng)溝表面的光潔度應(yīng)盡可能與實(shí)物相a. 為了保持re數(shù)相等，那么電機(jī)通風(fēng)模型（1:5）必須轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為真機(jī)的25倍，這通常是難以做到的（由于模型受到機(jī)械強(qiáng)度限制），所以一般采用5倍于真機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣re就會(huì)變?yōu)檎鏅C(jī)的1/5,盡管這樣電機(jī)通風(fēng)模型氣隙中氣流也處于湍流狀態(tài)。b. 模擬流動(dòng)相似尚難以完全實(shí)現(xiàn)，而熱相似就更加難以實(shí)現(xiàn)了；2.5風(fēng)路和熱路分析法對(duì)于電機(jī)通風(fēng)系統(tǒng)還可以采用風(fēng)路（流體網(wǎng)格）的辦法進(jìn)行計(jì)算，而對(duì)于電機(jī)散熱系統(tǒng)可以在計(jì)算電機(jī)風(fēng)路的基礎(chǔ)上采用熱路的辦法進(jìn)行分析。采用風(fēng)路和熱路相結(jié)合的辦法可以分析電機(jī)內(nèi)部各個(gè)計(jì)算

27、節(jié)點(diǎn)的溫度情況。風(fēng)路計(jì)算中有三個(gè)基本參數(shù)一一壓力（h）、風(fēng)阻（z）和流量（q）,與電路中的電壓、電阻和電流相對(duì)應(yīng)。但是風(fēng)路系統(tǒng)又與電路系統(tǒng)有所區(qū)別，主要是風(fēng)路系統(tǒng)三個(gè)參數(shù)相互間關(guān)系可以表述為：壓力和流量平方與風(fēng)阻乘積正比（h=z*q2）,而電路是一次線性關(guān)系。風(fēng)路中另外一個(gè)特點(diǎn)是，阻力并非嚴(yán)格地保持為一常數(shù)，有若干阻力系數(shù)不僅取決于尺寸和幾何形狀，而且還取決于各支路屮流量分配和流動(dòng)形態(tài)，即阻力z與流量q之間存在一定的相依關(guān)系。對(duì)于電機(jī)內(nèi)部的阻力,可以分為沿程阻力和局部阻力。沿程阻力系數(shù)a也與q有一定關(guān)系。這樣就給通風(fēng)系統(tǒng)計(jì)算帶來(lái)了新的復(fù)雜性。電機(jī)通風(fēng)計(jì)算最低的要求是要知道既定壓力元件和阻力系統(tǒng)

28、中總的過(guò)流量，或反之，己知必需達(dá)到的過(guò)流量而需配備一個(gè)或幾個(gè)壓頭元件，這時(shí)我們可用簡(jiǎn)化的近似計(jì)算，不考慮阻力與流量分配的某些相依性，并把系統(tǒng)中阻力集中成幾個(gè)單件，并進(jìn)行簡(jiǎn)單歸并。但是對(duì)于多支路元件系統(tǒng)往往不可能進(jìn)行簡(jiǎn)單的歸并，只能通過(guò)試探迭代法，而如果考慮局部阻力和沿程阻力與系統(tǒng)中流量和流量分配的相依性的話，進(jìn)行迭代會(huì)顯得相當(dāng)麻煩。熱路分析計(jì)算中有溫差（或者各節(jié)點(diǎn)處溫度值）、熱阻、損耗功率，也可以與電路的電壓、電阻、電流相對(duì)應(yīng)。電機(jī)熱路分析計(jì)算基于如下的假設(shè)：1、2、3、4、5、電機(jī)的溫度分布沿圓周方向?qū)ΨQ，即認(rèn)為電機(jī)在圓周方向的冷卻條件相同；電機(jī)內(nèi)部?jī)蓚?cè)（端部）的空腔中，各點(diǎn)空氣溫度相同；電

29、機(jī)慮；定轉(zhuǎn)子槽部導(dǎo)體的集膚效應(yīng)可以忽略不計(jì)。一般都習(xí)慣于將溫度場(chǎng)簡(jiǎn)化為集屮參數(shù)的熱路進(jìn)行計(jì)算。（定子繞組、定子鐵芯、和轉(zhuǎn)子繞組、轉(zhuǎn)子導(dǎo)條都分別假定其溫度在計(jì)算體積內(nèi)是一樣的，而且計(jì)算部件損耗集中在幾何重心處）。6、對(duì)于大型電機(jī)穩(wěn)態(tài)發(fā)熱溫度場(chǎng)的計(jì)算，采用傳統(tǒng)的熱路方法計(jì)算溫升，其準(zhǔn)確性會(huì)很低。這需要采用等效熱網(wǎng)絡(luò)法來(lái)進(jìn)行計(jì)算。但是熱路計(jì)算存在著很人的問(wèn)題：1、熱路計(jì)算，必須首先知道熱阻值，而對(duì)于熱阻值的計(jì)算，通常只是憑借經(jīng)驗(yàn)，如果熱阻計(jì)算不合理，那么多整個(gè)計(jì)算影響很大；2、將熱源只看作集屮于幾何重心的熱源，這與實(shí)際不符。因?yàn)槎ㄗ雍娃D(zhuǎn)子的發(fā)熱，實(shí)際是在各體積內(nèi)近似于均勻分布的。所以采用集中熱源的話

30、，這會(huì)造成熱阻計(jì)算的誤差。而采用熱路的辦法進(jìn)行計(jì)算，通風(fēng)損耗也必須作為一種熱源來(lái)考慮。熱阻其實(shí)與風(fēng)路計(jì)算中的風(fēng)量（風(fēng)速）等參數(shù)冇很強(qiáng)的耦合關(guān)系。比如通風(fēng)溝如果單位時(shí)間內(nèi)流過(guò)的風(fēng)量增加，那么風(fēng)速加快，這時(shí)鐵心處的對(duì)流換熱系數(shù)會(huì)增大，這時(shí)熱阻就會(huì)-7-減小。2.6本文研宄的對(duì)象2.6.1電機(jī)基本參數(shù)本文所研究的對(duì)象為10mw大型異步電動(dòng)機(jī)，其采用連續(xù)工作制。該電機(jī)的基木參數(shù)為：相電壓為3300v,相電流為1230a;額定功率為10000kw,額定轉(zhuǎn)速n=2oorpm。定子鐵心總長(zhǎng)為1630mm,其中通風(fēng)道為 28x8mm,定子線規(guī)為22.24x 12.5，每個(gè)線圈8匝，定子繞組半匝長(zhǎng)2473mm。

31、定子槽數(shù)ql = 180槽，轉(zhuǎn)子槽數(shù)q2 = 217槽；該異步電機(jī)各種損耗為：定子銅耗pcul為179.31kw,轉(zhuǎn)子銅耗pcu2為121.55kw,雜散損耗pz為52.0kw,鐵耗pfe為28.2kw,機(jī)械損耗pmec 為 20.00kw,總的損耗 ptotal 為 401.1kw。該異步電機(jī)采用空氣冷卻方式進(jìn)行冷卻，通風(fēng)散熱方式為強(qiáng)制兩端進(jìn)風(fēng)的徑向通風(fēng)方式。2.6.2電機(jī)各部分尺寸2.1總裝配圖fig.2.1 assembled drawing of induction motor-8-2.2定子鐵心（端部）fig.2.2 drawing of stator core from one s

32、ide圖2.3定子鐵心（軸向）fig.2.3 drawing of stator core in the axial direction-9 -2.4轉(zhuǎn)子鐵心（軸向）fig.2.4 drawing of rotor core in the axial direction2.6.3進(jìn)風(fēng)口及出風(fēng)門的布置圖2.5冷卻器布置圖fig.2.5 displacement of cooling equipments-10-圖2.6進(jìn)風(fēng)門和出風(fēng)門布置fig.2.6 outline of inlet & outlet從冷卻器安裝方式圖可以看出，冷卻器安裝在電機(jī)的側(cè)面上方。共有四個(gè)冷卻器，電機(jī)兩端

33、各兩個(gè)，都是在側(cè)面。進(jìn)風(fēng)門和出風(fēng)門布置圖則示出了在電機(jī)一側(cè)電機(jī)所有進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的布置，進(jìn)風(fēng)口所處的位置正好是冷卻器所在的位置，而出風(fēng)口則處于居中的位置，與進(jìn)風(fēng)口相鄰。2.7 cfd數(shù)值計(jì)算思路分析由上的電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和通風(fēng)型式可以看出，電機(jī)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜但是具有一定的對(duì)稱性。電機(jī)n部結(jié)構(gòu)復(fù)雜主要是指電機(jī)內(nèi)部的風(fēng)路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜：轉(zhuǎn)子導(dǎo)條數(shù)和定子繞組數(shù)不一致，這樣流經(jīng)轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝空氣將經(jīng)過(guò)一個(gè)比較復(fù)雜的過(guò)程進(jìn)入定子通風(fēng)溝；同樣在定子和轉(zhuǎn)子端部其氣流也比較復(fù)雜?？偟膩?lái)說(shuō)電機(jī)內(nèi)部是高雷諾數(shù)的湍流流場(chǎng)。但是從整體來(lái)看，電機(jī)的結(jié)構(gòu)具冇一定的對(duì)稱性。對(duì)于定子和轉(zhuǎn)子部分，其具有周期性對(duì)稱性的特點(diǎn)；而對(duì)于整個(gè)

34、電機(jī)來(lái)講，其具宥兩端對(duì)稱的特點(diǎn)。對(duì)稱性特點(diǎn)將為cfd數(shù)值計(jì)算提高簡(jiǎn)化的基礎(chǔ)。本文的cfd數(shù)值計(jì)算實(shí)際上是利用fluent軟件將異步電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，然后將風(fēng)路和熱路用fluent軟件通過(guò)列守恒方程來(lái)實(shí)現(xiàn)迭代求解。其異步電機(jī)模型的簡(jiǎn)化完全可以利用電機(jī)通風(fēng)模型所提到的假設(shè)作為理論基礎(chǔ)，可以利用異步電機(jī)模型的相似原理來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)化。-11-木文在對(duì)異步電機(jī)定子通風(fēng)溝結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化將需要按照如下的步驟來(lái)進(jìn)行：1、考慮到異步電機(jī)兩端對(duì)稱以及電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的周期性對(duì)稱的特點(diǎn)，首先單獨(dú)分析比較定子結(jié)構(gòu)采用不同的方案時(shí)其內(nèi)部風(fēng)阻情況；2、結(jié)合異步電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，考慮異步電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對(duì)電機(jī)內(nèi)部風(fēng)阻的影響來(lái)綜合考慮異步

35、電機(jī)定子結(jié)構(gòu)。3、在上述分析比較出的較優(yōu)的方案的基礎(chǔ)上分析異步電機(jī)內(nèi)部整個(gè)的通風(fēng)散熱情況，檢測(cè)其是否能夠滿足異步電機(jī)通風(fēng)散熱的設(shè)計(jì)要求。-12-第三章流體力學(xué)及熱力學(xué)基木原理及其在電機(jī)中的應(yīng)用3.1流體動(dòng)力學(xué)控制方程任何流體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律都是以質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律為基礎(chǔ)的。這些基本定律如果采用數(shù)學(xué)方程組來(lái)描述就得到質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程。3.1.1質(zhì)量守恒方程式(3 1)為質(zhì)量守恒方程，乂稱連續(xù)方程：? p ?( p u)?( p v)?( p w)+=o?t?x?y?z(3 1)p是密度，t是時(shí)間，u、v、w是速度矢量在x、y、z方向的分量。 對(duì)于不可壓縮流

36、體，密度p為常數(shù)，因而有?u?v?w+=o?x?y?z3.1.2動(dòng)量守恒方程(3 2)式(3 3)式(3 5)為動(dòng)量守恒力*程，又稱動(dòng)量力*程：?(pu)?(puu)?(puv)?(puw)?u?u?u?p+=? p ?+? p ?+?u ?+su?t?x?y?z?x?x?y?y?z?z?x(3 3)?( p v)?( p vu)?( p vv)?( pvw)?v?v?v?p+=? p ?+? p ?+?u ?+sv?t?x?y?z?x?x?y?y?z?z?y (34)?( p w)?( p wu)?( p wv)?( pww)?w?w?w?p+=? p ?+? p ?+?u ?+sw?t?x

37、?y?z?x?x?y?y?z?z?z (3 5) p 是密度，u、v、w 是速 度矢量在x、y、z方向的分量，p是流體微元體上的壓力，p是動(dòng)力粘度，su、sv、sw是動(dòng)量守恒方程的廣義源項(xiàng)。-13-3.1.3能量守恒方程式(3 6)為能量守恒方程：?(pt)?t+?(put)?x+?(pvt)?y+?(pwt)?z?k?t?k?t?k?t?=?+?+?+st?x?cp?x?y?cp?y?z?cp?z?(3-6)cp是比熱容，t為溫度，k為流體的傳熱系數(shù)，st為流體的內(nèi)熱源及由于粘性作用流體機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱能的部分，簡(jiǎn)稱為粘性耗散項(xiàng)。式（3 7）為狀態(tài)方程:3.1.5守恒方程在異步電機(jī)cfd數(shù)值計(jì)

38、算屮的作用以上提到的四組方程，是計(jì)算流體力學(xué)計(jì)算牛頓流體的基本方程，也是異步電機(jī)的cfd數(shù)值計(jì)算的基礎(chǔ)。以上四組方程為連續(xù)的可微的方程，而利用fluent軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算需要將連續(xù)方程進(jìn)行離散。采用不同的離散格式進(jìn)行離散這涉及到求解器參數(shù)的設(shè)置。將離散的方程進(jìn)行迭代計(jì)算需要設(shè)置邊界條件，一般也需要設(shè)置初始條件，為了能使迭代計(jì)算快速高效收斂，必須選擇合適的欠松弛因子。3.2異步電機(jī)通風(fēng)散熱的傳熱學(xué)基礎(chǔ)電機(jī)的定轉(zhuǎn)子鐵心及繞組既是發(fā)熱體又是傳熱部件，同樣電機(jī)內(nèi)其他 各部件是傳熱體或者通路，這樣電機(jī)內(nèi)部的散熱是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程7。電機(jī)內(nèi)部的傳熱通常有三種基木形式，即常見(jiàn)的三種傳熱基木形式:熱傳導(dǎo)、對(duì)流換

39、熱及輻射換熱。由于該電機(jī)采用強(qiáng)制通風(fēng)散熱的方式，熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱將是電機(jī)散熱的最主要的因素，而輻射換熱帶走的熱量所占比例非常少，所以只需要考慮熱傳導(dǎo)和對(duì)流換熱。-14-3.2.1熱傳導(dǎo)基木定律q=d 4) ?t=?入？n da(3-8)q為該微元處的熱流密度，d 4)為微元的熱流量，da為微元面積，入 為物體的導(dǎo)熱系數(shù)(熱?tq導(dǎo)率)，？n為該微元處的溫度梯度。將q分解為笛卡爾坐標(biāo)系的三個(gè)分量qx、y、qz則有:?t?x?t?qy=?入?y?t?qz=? x ?z? qx=? x（3 9）由式（3.8）和式（3.9）可以看出，影響電機(jī)內(nèi)部熱傳導(dǎo)的因素就是電機(jī)內(nèi)部的各導(dǎo)熱體的熱導(dǎo)率x，還有熱傳導(dǎo)

40、雙方的接觸面積以及溫差。在采用熱路的辦法進(jìn)行分析時(shí)常常采用集中式網(wǎng)格法進(jìn)行近似處理，也就是將電機(jī)內(nèi)部溫度比較接近的物體看出一個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用網(wǎng)格的辦法將電機(jī)內(nèi)部劃分為很多個(gè)節(jié)點(diǎn)。這樣做可以使計(jì)算簡(jiǎn)單，但是在一定程度上忽略了接觸面積以及各節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的溫差，這將會(huì)引起誤差。而采用fluent軟件進(jìn)行計(jì)算則不存在這樣的問(wèn)題，因?yàn)槠洳捎糜邢摅w積法所劃分的網(wǎng)格可以非常小，這樣在相鄰網(wǎng)格點(diǎn)上的溫度梯度已經(jīng)非常小了。3.2.2對(duì)流傳熱異步電機(jī)內(nèi)部的通風(fēng)冷卻，對(duì)流傳熱起到非常關(guān)鍵的作用。熱傳導(dǎo)是將定子和轉(zhuǎn)子等發(fā)熱體內(nèi)部的熱量傳至其表面一一與冷卻介質(zhì)（空氣）接觸的表面上，然后通過(guò)定子和轉(zhuǎn)子的表面與空氣發(fā)生熱交換將熱量

41、轉(zhuǎn)移至冷空氣，最終由空氣將熱量帶走。定子和轉(zhuǎn)子的表面與空氣的熱交換就是對(duì)流傳熱。對(duì)流傳熱按照產(chǎn)生流動(dòng)的原因可分為受迫對(duì)流換熱和自然對(duì)流換熱。所研究的異步電機(jī)采用鼓風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫通風(fēng)散熱方式，所以主要是受迫對(duì)流換熱。人們總是采用牛頓提出的所謂冷卻定律來(lái)對(duì)對(duì)流換熱進(jìn)行計(jì)算。牛頓冷卻定律表達(dá)式為：q為對(duì)流換熱熱流密度，a為對(duì)流換熱系數(shù)w/(m2ik)，tw為固體表面溫度，tf為流體平均溫度。影響對(duì)流換熱強(qiáng)弱的因素也就是影響對(duì)流換熱系數(shù)a值大小的因素，其因素有很多，概括起來(lái)有以下三方ifib流動(dòng)速度。從理論分析和試驗(yàn)分析可知，流體的速度決定其流動(dòng)狀態(tài)和邊界層厚度。在相同換熱溫差的作用下，層流邊界層厚度或?qū)恿?/p>

42、底層厚度的減小，都會(huì)使導(dǎo)熱作用增加。另外，流速增加又會(huì)使流體內(nèi)部相對(duì)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)，從而使對(duì)流作用強(qiáng)烈，使對(duì)流換熱加強(qiáng)，對(duì)流換熱系數(shù)增人。流體物理性質(zhì)。流體物理性質(zhì)包括導(dǎo)熱系數(shù)x ,動(dòng)力粘度u,比熱容脹系數(shù)y,熱擴(kuò)散率a等。換熱表面形狀、尺寸及放置情況也將影響對(duì)流換熱的效果。由上可知，對(duì)流換熱系數(shù)a受到諸多因素的影響，是如下各物性參數(shù) 的函數(shù)：cp，密度p，體膨a =f(u, x /cp, p,uzy ,tw,tf?)(3-11)3.2.3丼步電機(jī)的cfd數(shù)值計(jì)算與風(fēng)路和熱路計(jì)算的區(qū)別在采用風(fēng)路和熱路分析法中，將異步電機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱過(guò)程分開(kāi)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而實(shí)際上異步電機(jī)內(nèi)部的流動(dòng)和傳熱是具有很強(qiáng)的

43、耦合特點(diǎn)的。在進(jìn)行熱路計(jì)算時(shí)除了必須知道電機(jī)內(nèi)部各種材料的熱導(dǎo)率x外，還必須知道各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的對(duì)流換熱系數(shù)a ,只有這樣冰能知道各個(gè)熱路回路中的熱阻。正如前面分析那樣，各個(gè)節(jié)點(diǎn)處的對(duì)流換熱系數(shù)a受到諸多因素的影響，其值需憑借經(jīng)驗(yàn)公式求得，或者由經(jīng)驗(yàn)曲線來(lái)査得，但是這樣所得到的數(shù)值會(huì)因計(jì)算者的經(jīng)驗(yàn)不同而有所差別。但是cfd數(shù)值計(jì)算過(guò)程-7)共七個(gè)方程來(lái)求出電機(jī)內(nèi)部各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)的所有屬性(壓力、速度、溫度等)，同時(shí)采用cfd數(shù)值計(jì)算是直接流動(dòng)和傳熱耦合過(guò)程進(jìn)行分析計(jì)算的。-16-3.3牛頓流體基本特性異步電機(jī)內(nèi)部的空氣是牛頓流體，其內(nèi)部的流場(chǎng)是高雷諾數(shù)的湍流流場(chǎng)。粘性是流體的一種物理特性，反映了流體抵

44、抗剪切變形的能力。由牛頓內(nèi)摩擦定律可導(dǎo)出粘性應(yīng)力與粘度系數(shù)及速度梯度的關(guān)系：t=(idudn(3-12)式中，u是粘度系數(shù)。空氣、水等分子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的流體是粘性流體，同時(shí)滿足(3 12)式屬于牛頓流體。300k吋，空氣的粘度系數(shù)為1.846x10_5pa s,而溫度越高空氣的粘度系數(shù)越大。若流體的粘度很小，且流場(chǎng)中的速度梯度不大，可以將這種流體流動(dòng)近似認(rèn)為是無(wú)粘性流動(dòng)，相應(yīng)流體為無(wú)粘性流體，也稱為理想流體。流體在外力作用下，其體積或密度可以改變的性質(zhì)，稱為流體的可壓縮性。在等溫狀態(tài)下，對(duì)單一組分的流體，其密度隨壓強(qiáng)而改變，密度的改變量為：d p =? p dp= p y tdp?p(3 13)式

45、中，yt是等溫壓縮系數(shù)，yt=l?p?p?p?可把(3 13)式寫成:pp yt a p(3-14)空氣在運(yùn)動(dòng)中的壓力變化常由速度變化決定，得：pp « y ?v?2?a?(3-15)式中，a=340m/s為聲速，v/a =0.3是可壓縮與不可壓縮流動(dòng)的分界。 v/a <0.3,即速度小于110m/s的空氣流動(dòng)認(rèn)為是不可壓縮流：反之，v/a >0.3,空氣流動(dòng)為可壓縮流。對(duì)于電機(jī)內(nèi)通風(fēng)模型而言，其內(nèi)部流動(dòng)的氣流速度均小于110m/s,所以在研究電機(jī)內(nèi)通-17-風(fēng)散熱時(shí)，假設(shè)氣流是不可壓縮流體，屬于不可壓縮模型，取其密度為常數(shù)。-18-第四章cfd技術(shù)及fl

46、uent軟件簡(jiǎn)介4. 1cfd技術(shù)簡(jiǎn)介4.1.1 cfd技術(shù)現(xiàn)狀計(jì)算流體力學(xué)(computational fluid dynamics,簡(jiǎn)稱cfd)作為流體力學(xué)的一個(gè)分支，出現(xiàn)于20世紀(jì)六、七十年代，是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、計(jì)算方法以及流體力學(xué)的發(fā)展而產(chǎn)生的。它通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬來(lái)獲得某種流體在特定條件下的有關(guān)信息，是研究各種流動(dòng)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)、操作和研宄各種流動(dòng)及反應(yīng)性能的特點(diǎn)，應(yīng)用描述過(guò)程局部性能的物理或化學(xué)、流體力學(xué)等方程組進(jìn)行數(shù)值模擬，從而實(shí)現(xiàn)過(guò)程設(shè)計(jì)、優(yōu)化、放大以及控制的精細(xì)描述。作為一種新的工程研究方法，cfd技術(shù)自出現(xiàn)之初就受到廣泛的重視并取得了極大的發(fā)展。目前，cfd技術(shù)在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家己經(jīng)

47、得到了普遍的應(yīng)用，并建立了大量的數(shù)學(xué)模型，這些流體力學(xué)基礎(chǔ)模型與工程屮開(kāi)發(fā) 出的各種反應(yīng)相結(jié)合，在工程界逐步形成了以cfd為基礎(chǔ)的cae (computer aided engineering)軟件庫(kù)和一個(gè)以計(jì)算流體力學(xué)為核心的cfd產(chǎn)業(yè)。世界上第一個(gè)cfd通用軟件出現(xiàn)于1981年，由英國(guó)cham公司推出，稱為phoenicso此后，大量的此類軟件，如fluent, star-cd, flow3d,cfx, astec, fidap, star-cd等相繼問(wèn)世，并得到世界各國(guó)科學(xué)家的認(rèn)可和米用。歐、美、日等國(guó)家的高校及研宂機(jī)構(gòu)都采用這類大型通用軟件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)并逐步將其運(yùn)用于工程優(yōu)化研宄。4

48、.1.2 cfd技術(shù)基本原理cfd方法所依據(jù)的基本原理是流體力學(xué)、熱力學(xué)、傳熱傳質(zhì)學(xué)等平衡或守恒定律，具體如表4.1所示。-19 -表4. 1 cfd技術(shù)基本原理table 4.1 the foundational theory of cfd原理守恒和平衡定律傳遞定律源律熱力學(xué)性質(zhì)4.1.3 cfd研宂方法簡(jiǎn)介內(nèi)容質(zhì)量、動(dòng)量熱量及化學(xué)計(jì)量學(xué)粘性、導(dǎo)熱及擴(kuò)散化學(xué)反應(yīng)速率、時(shí)間耦合關(guān)系等比熱、焓等控制體積法及其離散格式：控制體積法又叫有限體積法，其基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃分為一系列不重復(fù)的控制體積，并使每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)周圍有一個(gè)控制體積；將待解的微分方程對(duì)每一個(gè)控制體積積分而把微分方程化為差分方程，便得

49、出一組離散方程。其屮的未知數(shù)是網(wǎng)格點(diǎn)上的因變量的數(shù)值。為了求出控制體積的積分，必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律,即假設(shè)值的分段分布剖面。從積分區(qū)域的選取方法看來(lái)，控制體積法屬于加權(quán)剩余法中的子區(qū)域法；從未知解的近似方法看來(lái)，控制體積法屬于采用局部近似的離散方法。簡(jiǎn)言之，子區(qū)域法屬于控制體積法的基本方法?？刂企w積法的基本思路易子理解，并能得出直接的物理解釋。離散方程的物理意義，就是因變量在有限大小的控制體積中的守恒原理，如同微分方程表示因變量在無(wú)限小的控制體積中的守恒原理一樣?？刂企w積法得出的離散方程，要求因變量的積分守恒對(duì)任意一組控制體積都得到滿足，對(duì)整個(gè)計(jì)算區(qū)域，自然也得到滿足。這是控制體積

50、法吸引人的優(yōu)點(diǎn)。冇一-20-些離散方法，例如有限差分法，僅當(dāng)網(wǎng)格極其細(xì)密時(shí)，離散方程冰滿足積分守恒：而控制體積法即使在粗網(wǎng)格情況下，也顯示出準(zhǔn)確的積分守恒。有限單元法必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的變化規(guī)律（既插值函數(shù)），并 將其作為近似解。控制體積法只考慮網(wǎng)格點(diǎn)上的數(shù)值而不考慮值在網(wǎng)格點(diǎn)之間如何變化?？刂企w積法只尋求結(jié)點(diǎn)值，這與有限差分法相類似：但控制體積法在尋求控制體積的積分時(shí)，必須假定值在網(wǎng)格點(diǎn)之間的分布，這的積分，得出離散方程之后，便可忘掉插值函數(shù)；如果需要的話，可以對(duì)微分方程屮不同的項(xiàng)采取不同的插值函數(shù)。采用控制體積法導(dǎo)出的離散方程可以保證具有守恒特性，而且離散方程系數(shù)的物理意義明確，是目前流動(dòng)與傳熱問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算中應(yīng)用最廣的一種方法。而fluent就是基丁控制體積法的軟件，為了取得較好的模擬效果，故本文采用fluent對(duì)大型異步電機(jī)內(nèi)部通風(fēng)散熱進(jìn)行模擬。4.1.4 cfd工作流程圖4.1 cfd工作流程fig. 4.1 process of cfd-21-4.1.5 cfd軟件的結(jié)構(gòu)根據(jù)cfd的基木原理、所采用的研宂方法及cfd工作流程圖，目前，市場(chǎng)上出現(xiàn)了多個(gè)cfd