緊湊型高壓感應電機起動溫升的場路結合計算

緊湊型高壓感應電機起動溫升的場路結合計算摘要緊湊型高壓感應電機是在中型高壓感應電機的基礎上研發(fā)出來的新產(chǎn)品，研發(fā)設計的目的是減小電機體積并提高功率密度，與普通的高壓感應電機相對比，在相同的容量下其中心高平均下降兩個等級，所以功率密度會增加。根據(jù)電機幾何原理的相似定律，電機內(nèi)功率密度增高勢必會導致內(nèi)部的溫升問題突顯出來，如果溫升過高，電機內(nèi)部容易出現(xiàn)短路、放電等故障，嚴重的還會造成電機燒毀。因此需耍準確地分析電機內(nèi)的溫度場和流體場。電機的起動過程為動態(tài)過程，電機內(nèi)流體運動及發(fā)熱情況是隨時間變化的，本文采用場路結合的方法，對高壓感應電機起動時的溫升變化進行研究。以YJKK500-4、2500kW緊湊型高壓感應電動機為例，首先用坐標變換和矢量變換的方法對電機的動態(tài)問題進行了分析，推導出感應電機的動態(tài)方程。根據(jù)動態(tài)方程理論對電機帶不同負載起動時損耗的具體變化進行計算分析，并將結果作為瞬時熱源加載到仿真計算中。然后對電機散熱情況進行分析，本文采用建立風阻網(wǎng)絡的方法計算電機內(nèi)風量的匹配和各部分的風速分布，為場的仿真分析提供散熱依據(jù)。最后將前兩者與有限元仿真有機的結合起來,根據(jù)電機的實際結構尺寸進行建模，依據(jù)流體力學和熱力學的基本原理對流體場及溫度場進行仿真求解，分析起動時不同時刻電機內(nèi)的溫升情況。采用場路結合的算法，解決了瞬態(tài)過程電機內(nèi)熱源及流體邊界條件加載復雜的問題，提高了電機起動過程流體場和溫度場計算的準確性，對起動過程中電機通風溝內(nèi)流體的流動情況以及溫升的變化情況有了更加清楚的認識，保證了電機的設計合理性也一定程度保障了電機的安全運行。關鍵詞高壓感應電機；流體場；溫度場；風阻網(wǎng)絡；場路結合Field-circuitCoupledCalculationofTemperatureRiseforHigh-VoltageInductionMotorwithCompactTypeinStartingProcessAbstractHigh-voltageinductionmotorwithcompacttypeisanewproductdevelopedbasedthemedium-sizehigh-voltageinductionmotors,withpurposeofreducingthesizeofthemotoraswellasincreasingthepowerdensity.Thecenterheightofhigh-voltageinductionmotorwithcompacttypeisreduced,underthesamecapacity,bytwolevelsonaveragewhencomparedtoordinaryhigh-voltageinductionmotors,thusitspowerdensitycanbeimproved.Accordingtogeometricalsimilaritylaw,theincreasingofthepowerdensitywillcertainlyleadtotheproblemofinternaltemperaturerise.Ifthetemperatureistoohigh,failures,suchasdischargingandshortcircuit,wouldoccurinsidethemotor,whichwouldevenburndownthemotor.Anaccurateanalysisonbothfluidandtemperaturefieldsinsidethemotoristhereforerequired.Startingamotorisadynamicprocess,duringwhichthefluidmotionandheatinginsidethemotorarechangingovertime.Inthisarticle,westudiedthechangesintemperaturerisewhenstaringthehigh-voltageinductionmotorbyusingafield-circuitcoupledmethod.WetooktheYJKK500-4,2500kWcompactmotorasthecaseforourstudy.First,wemadeuseofboththecoordinatetransformationandvectortransformationanalyzesthedynamicstateofthemotorandtoobtainthedynamicequation.Basedonthedynamicequationtheory,weinvestigatedandcomputedthespecificchangesinofthemotorunderdifferentloads,andtooktheresultsastransientheatsourceforsimulation.Next,weanalyzedtheheatdissipationofthemotor.Inthisstudy,webuiltawind-resistancenetworktofigureoutthematchingofthewindvolumeandthedistributionoftheweedspeedinsidethemotor,withintentiontoprovideinformationofheatdissipationfbrsimulation.Finally,wecombinedthefiniteelementsimulationwithaboveanalysis.Themodelwasbuiltonactualstructureandsizeofthemotor.Thefluidfieldandtemperaturefieldweresimulatedbyusingbasicprinciplesoffluidmechanicsandthermodynamicstostudythetemperatureriseofthemotoratdifferentmoments.Thefield-circuitcoupledalgorithmcansimplifythecomplexityinloadingboundaryconditionsofmotor'sheatsourceandfluidduringatransientprocess,thuscanimprovetheaccuracyofcomputingthefluidfieldandtemperaturefieldduringstartingthemotor.Hencewehaveamoreclearunderstandingonfluidmotioninventilatingductsofthemotoraswellasonchangesintemperaturerise.Inthiswaywecanensurethereasonablenessofdesignandcanguarantee,tosomeextent,thesafetyofthemotor.Keywordshigh-voltageinductionmotor,fluidfield,temperaturefield,wind-resistancenetwork,Field-circuit-in-TOC\o"1-5"\h\z摘要 IAbstract II\o"CurrentDocument"第1章緒論 1\o"CurrentDocument"課題研究的意義 1\o"CurrentDocument"國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 2\o"CurrentDocument"高壓感應電機起動特性的研究現(xiàn)狀 2\o"CurrentDocument"高壓感應電機起動過程流體場和溫度場的研究現(xiàn)狀 3\o"CurrentDocument"課題的主要研究內(nèi)容 4\o"CurrentDocument"第2章高壓感應電機起動過程損耗的分析 6\o"CurrentDocument"高壓感應電機內(nèi)基本發(fā)熱熱源 6\o"CurrentDocument"高壓感應電機動態(tài)模型建立與計算方法 7\o"CurrentDocument"電機矢量變換和坐標變換的基本理論 8\o"CurrentDocument"電機動態(tài)基本方程的建立及求解方法 9\o"CurrentDocument"利用動態(tài)模型計算高壓感應電機起動時熱源損耗 11\o"CurrentDocument"本章小結 14\o"CurrentDocument"第3章高壓感應電機起動過程散熱的分析 15\o"CurrentDocument"電機通風結構 15\o"CurrentDocument"電機內(nèi)流量的分布和散熱計算 15\o"CurrentDocument"電機內(nèi)風阻網(wǎng)絡模型的建立 16\o"CurrentDocument"風阻網(wǎng)絡的求解及結果分析 18\o"CurrentDocument"本章小結 20\o"CurrentDocument"第4章高壓感應電機起動過程流體流動與傳熱的仿真分析 21\o"CurrentDocument"高壓感應電機三維計算模型的建立 21\o"CurrentDocument"計算模型網(wǎng)格的剖分 23\o"CurrentDocument"仿真計算的基本假設和邊界條件的設定 24\o"CurrentDocument"基本假設 24\o"CurrentDocument"瞬態(tài)場邊界條件的設定 24\o"CurrentDocument"UDF在瞬態(tài)場計算中的應用 26\o"CurrentDocument"高壓感應電機起動過程中流體場分析 27\o"CurrentDocument"高壓感應電機起動過程中溫度場分析 29\o"CurrentDocument"額定負載起動時定子繞組和絕緣層的溫度場分析 30\o"CurrentDocument"額定負載起動時定子對流面散熱系數(shù)分析 30\o"CurrentDocument"不同負載起動時的溫度場分析 31\o"CurrentDocument"本章小結 31\o"CurrentDocument"第5章基于免疫遺傳算法的潛油電機優(yōu)化設計軟件開發(fā) 33\o"CurrentDocument"課題研究的意義 33\o"CurrentDocument"國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 34\o"CurrentDocument"潛油電機的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 34\o"CurrentDocument"優(yōu)化算法的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 36\o"CurrentDocument"課題的來源及主要研究內(nèi)容 37\o"CurrentDocument"第6章免疫遺傳算法原理 39\o"CurrentDocument"免疫遺傳算法原理 39\o"CurrentDocument"免疫遺傳算法流程分析 41\o"CurrentDocument"免疫遺傳算法在數(shù)學模型上的應用 42\o"CurrentDocument"本章小結 44\o"CurrentDocument"第7章免疫遺傳算法在潛油電機優(yōu)化中的應用 45\o"CurrentDocument"電機優(yōu)化的數(shù)學模型 45\o"CurrentDocument"優(yōu)化設計的目標函數(shù) 46\o"CurrentDocument"約束條件及其處理方法 46\o"CurrentDocument"優(yōu)化變量的選取 48\o"CurrentDocument"IGA優(yōu)化程序設計 49\o"CurrentDocument"實例計算 52\o"CurrentDocument"電機優(yōu)化過程的參數(shù)選用 52\o"CurrentDocument"基于免疫遺傳算法優(yōu)化設計的結果與分析 54\o"CurrentDocument"基于RMxprt的定轉子參數(shù)分析 56\o"CurrentDocument"本章小結 57\o"CurrentDocument"第8章潛油電機優(yōu)化軟件開發(fā) 58\o"CurrentDocument"電機優(yōu)化設計軟件的實現(xiàn) 58\o"CurrentDocument"硬件環(huán)境 58\o"CurrentDocument"軟件環(huán)境 58\o"CurrentDocument"電磁設計模塊 59\o"CurrentDocument"程序輸入界面的設計 59\o"CurrentDocument"程序結果的輸出 60\o"CurrentDocument"溫升設計模塊 61\o"CurrentDocument"等效熱阻計算 61\o"CurrentDocument"溫升模塊的界面設計 62\o"CurrentDocument"電機沖片圖的繪制 63\o"CurrentDocument"本章小結 63\o"CurrentDocument"結論 64\o"CurrentDocument"參考文獻 66\o"CurrentDocument"攻讀碩士學位期間發(fā)表的學術論文 73\o"CurrentDocument"致謝 74第1章緒論課題研究的意義中國是世界電機制造多產(chǎn)國，特別是重工業(yè)有很大規(guī)模的經(jīng)濟體，因此電機與功率消耗的比重都很高叫從全世界電機技術的發(fā)展需求來看，為滿足高運轉率的發(fā)展趨勢，規(guī)?；a(chǎn)配套設備的高壓高效電機逐漸成為發(fā)展的主要方向。由此電機必須向具有高功率密度、高性能、大容量和高壓的方向發(fā)展。隨著中國電機設計和制造技術的成熟，高效高壓電機將發(fā)展成一個高科技、競爭激烈的行業(yè)⑵。為了實現(xiàn)電機效率的逐步提升，需要電機產(chǎn)品不斷的推陳出新，這同時也是一個國家重工業(yè)發(fā)展水平的衡量標準。從節(jié)能環(huán)保的角度來看，在國際上高效電機得到了廣泛的認可和推廣。在中國普通低效電機仍占有較大的使用比率。而在歐美等發(fā)達國家，已經(jīng)基本普及了高效電機的使用巴目前較為常見的緊湊型電動機為YJKK系列中型高壓感應電機，由于其研發(fā)過程中設計理念主要為高效率、體積小、低成本等特點，同YKK系列電動機相比，在相同的容量下其中心高平均下降兩個等級，所以功率密度會增加。根據(jù)電機兒何原理的相似定律⑷，電機內(nèi)功率密度增高勢必會導致內(nèi)部的溫升問題突來，很容易造成絕緣層出現(xiàn)分層、脫殼、老化等現(xiàn)象，從而導致電機內(nèi)部由于放電、短路而燒毀咒尤其是在電機起動的過程中，由于損耗大、散熱差更容易導致溫度大幅度升高。對電機起動時的電磁轉矩、電磁參數(shù)及電流的變化情況進行分析是可靠計算電機內(nèi)部發(fā)熱情況的基礎，同時采用有效的通風散熱系統(tǒng)便可很好的避免電機發(fā)生故障。但是電機的起動過程是一個瞬態(tài)過程，會受到很多復雜因素地影響，電機內(nèi)部各個物理場之間相互存在動態(tài)耦合的關系同，因此就需要建立某種動態(tài)的數(shù)學模型來對起動過程的損耗參數(shù)以及風速風量的變化進行準確的分析和研究。在此基礎上，將得到的動態(tài)結果與有限元方法綜合在一起，進行起動時電機內(nèi)溫度場和流體場的仿真研究，這樣會準確可靠的預測電機的性能指標、運行的狀況以及技術參數(shù)等，由此減少電機起動運行時冷卻氣體流動性能不佳以及內(nèi)部溫升過高這種影響電機安全可靠運行的情況發(fā)生。運用試驗的方法對高壓電機運行過程中的起動特性和起動過程的動態(tài)參數(shù)進行測取是非常困難的，所以需要有效可靠的方案來對高壓電機進行仿真分析來取得。由于電機的起動過程是一個瞬態(tài)的過程，應基于動態(tài)的理論來進行計算分析，而不是工程中常運用的恒定參數(shù)的T型等效電路來分析。采用建立動態(tài)模型的特點是可以將三相繞組的效果用兩個相互垂直、靜止的兩相繞組代替,并通過運算的變換，就能夠進行三相電流和兩相電流之間的運算。這樣就將電機起動的瞬態(tài)問題轉化為靜態(tài)的形式，使計算分析的過程得到化簡。這不僅要更全面的綜合運用傳統(tǒng)的流體力學，傳熱學，電磁學知識，還要在軟件和硬件方面也都的到突破和提高。相信，隨著各個學科的不斷完善與發(fā)展，通過科學家和研究人員在電機領域的持續(xù)努力下，使更多新的方法以及理論得到普及應用，特別是在電機?體化深入物理學的研究，會給這個行業(yè)帶來更為廣泛的開拓空間。圖1-1YJKK系列緊湊型高壓感應電機實物圖Fig.1-1PhysicalmapofYJKKserieshigh-voltageinductionmotorwithcompacttype國內(nèi)外研究現(xiàn)狀高壓感應電機起動特性的研究現(xiàn)狀緊湊型高壓感應電機在起動過程中，電機內(nèi)的阻抗、損耗、轉矩、轉速等參數(shù)都是隨時間而變化的，這是與電機穩(wěn)態(tài)運行最大的區(qū)別。因此，如果想要得到溫度場和流體場在起動過程中準確的變化情況，分析計算高壓感應電機的起動特性是非常關鍵的。起動轉矩和轉速是研究起動特性時反映感應電機正常輸出的兩項關鍵參數(shù)。準確計算起動時參數(shù)隨時間變化的具體情況，對于可靠地分析電機的起動特性有著至關重要的作用⑻。獲取曲線的方法途徑比較多，-一般情況下可總結為三個方法來分析：.直接測量方法是指在測量三相感應電機轉矩-轉差率曲線時，被測電機在測量過程中逐步被加載負載，同時選取特定的測功機來測取轉矩，再通過轉速表或者測速器來測得電機這一時刻的轉速，最后再根據(jù)被選擇點的測試來描述電機的特性曲線或機械特性⑼。顯而易見通過直接測量法求解存在很多的不準確和不便之處，從而導致誤差出現(xiàn)的幾率明顯增加。.解析分析方法是基于經(jīng)過歸算后得出的感應電機型等效電路計算出來的，由于在型等效電路中定、轉子的激磁電抗要遠遠大于漏抗，因此可以對激磁阻抗支路忽略不計，從而簡化型等效電路，得出機械特性曲線計算的表達式[10].動態(tài)分析方法此方法是以電磁關系為依據(jù)的，對電機的開動過程進行分析，在計算時主要從兩方面進行即穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)，也就是電機在三項坐標狀態(tài)下的電壓方程，電機轉動方程和靜止時的運動方程在電機發(fā)動時轉子的速度在逐漸的增加，在電機發(fā)動時會產(chǎn)生機械和電磁波的短暫變化，所以在分析電機的發(fā)動時，動態(tài)分析法是最合適的選擇。美國E.F.Fuchs根據(jù)差分原理，深入的分析了影響三相感應電機起動性能的主要因素，并從中提煉和總結出各種因素的變化規(guī)律，但并沒有詳細計算電機的具體起動特性⑼。在中國，許多專家和學者也對感應電機作了大量研究，其中高景德通過探究電機的起動規(guī)律，總結了電磁處于靜態(tài)和動態(tài)的變化趨勢，然而由于未能合理進行負載參數(shù)校正，與負載實際變化的情況有著很大的差距。再加上當時缺乏先進的檢測儀器和科學的計算方法，也就使得計算結果存在一定的局限性,⑶。基于飽和狀態(tài)下的研究，比較成熟的要數(shù)加拿大的HanyMJabr構建了異步電動機等效模擬體系，分析了在此狀態(tài)下電機的起動特性，并在此基礎上深入剖析了繞線式的感應電機高壓感應電機起動過程流體場和溫度場的研究現(xiàn)狀在對電機內(nèi)的溫度進行研究時，意大利Cannistra,G等學者利用有限元方法計算并分析了感應電機起動時鼠籠型轉子結構的溫升情況‘咒韓國Lee,Yangsoo等學者采用有限元方法也對感應電機的溫度場分布情況進行了分析與計算i⑹；前蘇聯(lián)的Elin,D.G等學者對感應電機定子繞組的溫度分布情況也進行了分析與計算國內(nèi)學者湯蘊謬、遲速、陳季平和張大為等采用有限元分析法對大型水輪發(fā)電機定子溫升最高段的三維溫度場分布情況進行了分析計算,⑻。哈爾濱理工大學的周封等學者將有限元分析和流體的相似理論結合起來分析了中大型感應電機的定子三維溫度場’⑼。李德基，白亞民等學者對汽輪發(fā)電機定子繞組槽溫度場的分布進行了計算㈤。黃東洙等學者對高壓防爆電機的定子溫度場分布進行了分析計算⑶］。浙江大學的許承千和石中文等學者對大中型感應電動機的冷卻和發(fā)熱問題進行了深入的探討㈤。在對電機內(nèi)的流體進行研究時，M.Shan教授等人基于流體力學的計算理論計算了電機的冷卻系統(tǒng)㈤。R.E.Ma教授等人對電機的氣隙流體進行了理論和實踐方面的分析已"。M.S.Rajagopal、RyuichiUjiie教授等人利用有限元的計算方法分析了在有徑向通道時的冷卻通風方式,并在理論上予以解釋，同時發(fā)展了CFD理論在電機流體場計算時的應用.時我國魏永田教授等人采用網(wǎng)絡矩陣法對處在高壓高功率下的水輪發(fā)電機的內(nèi)部通風冷卻系統(tǒng)進行了改善切。哈爾濱理工大學的孟大偉、溫嘉斌等人深入的研究了被廣泛應用的YKK系列以及YJKK系列中型高壓電機的流體場的性能，其中對通風槽鋼位置對流體分布影響及改進以及YJKK系列電機全域流體分析對企業(yè)電機研發(fā)具有深遠的戰(zhàn)略意義?咒總之，在電機內(nèi)部流體流動和溫升研究方面，國內(nèi)外學者具有很多豐厚的成果，但在計算電機起動過程的數(shù)值方面以及起動過程性能方面，進行過研究的學者寥寥無兒。本文采用場路結合的方法來對電機起動過程的流體場與溫度場進行計算，這種方法優(yōu)于傳統(tǒng)的計算方法。傳統(tǒng)方法一般是在電機達到穩(wěn)態(tài)情況下進行計算分析的，這樣就忽略了起動過程是隨時間變化的瞬態(tài)過程，大大降低了計算結果的準確性。而本文使用的方法通過動態(tài)方程和風阻網(wǎng)絡這樣路的計算，得出損耗和冷卻風量隨時間變化的函數(shù)，為后續(xù)瞬態(tài)場的計算提供依據(jù)。在分析起動過程的流體與溫度場時利用場路結合的方法，省時的同時也減少了計算量，不但得到了更準確的計算結果，求解環(huán)境也更加接近于電機實際運行的環(huán)境。課題的主要研究內(nèi)容本課題的動態(tài)數(shù)學模型是根據(jù)緊湊型高壓感應電機起動運行時的實際情況構建起來的，主要通過計算各項參數(shù)在高壓感應電動機起動過程中的具體變化,從而推導出電機起動過程損耗的瞬態(tài)變化情況，并結合電機軸徑向混合通風散熱的實際結構，采用帶有集中參數(shù)的等值風路求解風量的方法，把空氣動力學的問題簡化為由風壓源和風阻構成的等效風路，這樣一來對電機內(nèi)風量的分配情況便能得到準確的計算。最后，將以上的分析結果與有限元仿真法結合起來,通過固流耦合的仿真計算得出電機起動過程中電機內(nèi)部溫升分布與流體流動的情況。本文以一臺YJKK500-4、2500kW緊湊型高壓感應電機為研究樣機，研究的內(nèi)容主要包括以下三個方面：.緊湊型高壓感應電機起動時電機內(nèi)的部分參數(shù)并不是按著規(guī)律性變化的，并且各種物理場相互耦合，所以要綜合的分析各參數(shù)之間的變化情況，因此要建立可靠的動態(tài)數(shù)學模型就比較復雜。本課題為了簡化數(shù)學模型，利用矢量法將三相感應電動機的動態(tài)數(shù)學模型進行坐標變換。根據(jù)起動特性的計算結果，計算出電機內(nèi)各發(fā)熱源的瞬態(tài)損耗。.根據(jù)電機實際的通風結構建立風阻網(wǎng)絡模型，計算電機冷卻系統(tǒng)內(nèi)風量的分配情況及各處風速。為電機起動過程中流體場及溫度場的仿真計算提供依據(jù)。.根據(jù)電機內(nèi)流體具有流動及傳熱的特征，建立緊湊型感應電機的部分三維模型進行計算，給出基本假設并選擇適當?shù)倪吔鐥l件，通過前兩個方面的分析計算得出熱源與散熱的瞬態(tài)情況，并依據(jù)流體力學理論和有限元體積法，計算電機內(nèi)各區(qū)域的溫度與流體的耦合場，對電機內(nèi)的溫升和流體流動情況進行分析，分析并比較在不同負載下的溫升情況，保證電機在安全負載下運行。第2章高壓感應電機起動過程損耗的分析電機在運行時會產(chǎn)生損耗，而損耗都會轉化為熱量，不斷地向周圍介質(zhì)傳遞，導致電機內(nèi)部溫度的升高。所以，準確計算電機內(nèi)的損耗是分析溫升的重要前提。在電機起動的瞬態(tài)條件下，電機內(nèi)損耗積累量很大而電機轉速又相對較低，導致此時電機內(nèi)的溫升很高，容易產(chǎn)生絕緣老化等安全故障。因此準確的分析電機起動過程中損耗的變化是非常重要的。對于緊湊型高壓電機，測取電機的起動溫升時若采用試驗的方法則很難實現(xiàn)，在電機起動的實際過程中，隨著電機轉速的變化，轉子中會產(chǎn)生較強的集膚效應，同時漏磁場飽和程度也會增大，這些都會導致轉子漏抗值以及轉子電阻之間的比值產(chǎn)生很大的變化。這些都會對損耗產(chǎn)生影響，從而影響溫升分析的準確性18,需要選取切實可行地方法進行瞬態(tài)問題的仿真計算。本文采用建立動態(tài)模型的方法來解決瞬態(tài)場參數(shù)計算的問題，為溫度場仿真分析時熱源的設置提供依據(jù)。高壓感應電機內(nèi)基本發(fā)熱熱源感應電機內(nèi)的各種損耗是感應電機發(fā)熱的本質(zhì)因素，所以要分析感應電機起動過程的溫升情況，首先需要了解感應電機內(nèi)部的具體發(fā)熱情況，各種損耗的分布以及數(shù)值大小。感應電機的損耗主要有以兒類：.鐵心損耗分為基本鐵損耗和附加損耗。對于感應電機來說，只考慮定子鐵心中的基本鐵損耗，即主磁場變化時產(chǎn)生的鐵心損耗。.空載時鐵心中的附加損耗主要指由定子和轉子開槽引起的氣隙磁導諧波磁場在對方鐵心表面產(chǎn)生的表面損耗和因開槽而使對方齒中磁通因電機旋轉而變化所產(chǎn)生的脈振損耗。.繞組損耗是指工作電流在繞組中產(chǎn)生的損耗，也包括電刷在換向器上的接觸損耗。.負載時的附加損耗這是由于定子或轉子的工作電流所產(chǎn)生的漏磁場（包括諧波磁場）在定、轉子繞組和鐵心及結構件里所引起的各種附加損耗。.機械損耗它包括通風損耗（由轉子旋轉引起的轉子表面與冷卻氣體之間的摩擦損耗以及安裝在電機轉軸上的或由于電機本身轉軸驅動的風扇所需的功率）、軸承摩擦損耗和電刷與換向器或集電環(huán)之間的摩擦損耗刖。由于電機的起動時間相對很短并且電機多處于低速旋轉的狀態(tài)，因此有些損耗的變化對溫升的影響不大，本文主要對下面的損耗進行詳細的計算分析：.基本鐵耗由于產(chǎn)生的原因不同，鐵心基本損耗可以分為渦流損耗和磁滯損耗。用表示鐵心損耗，即：(2-1)對于一般的電工鋼片，()為正常的工作磁通密度范圍訓，所以將(2-1)式近似地寫成：(2-2)式中：為電機鐵心的損耗系數(shù)；為電機鐵心重量；為電機磁通密度。為了使計算更加方便，鋼的損耗系數(shù)(單位為)通常按下面的數(shù)值方程計算:(2-3)式中：為電機頻率；為硅鋼片系數(shù)。.定子繞組損耗根據(jù)楞次-焦耳定律，該損耗是繞組電阻與電流的二次方的乘積。如果是具有多個繞組的電機，則應把各繞組計算出的基本銅耗相加得出：(2-4)式中：是在基準工作溫度下繞組的電阻；是流過繞組中的電流。對相繞組來說，若電流一樣，并且電阻也相同，則電氣損耗為：(2-5)在計算電機的銅耗時，假設電流在截面上分布均勻，故上列公式中的電阻均指直流電阻⑶所二.轉子導條損耗根據(jù)電機學原理，在感應電機起動過程中，導條總的損耗功率為：(2-6)式中：為電動機及負載的飛輪轉矩；為重力加速度；為電機的同步轉速；為電動機的電磁轉矩；為電動機的負載轉矩；為轉子槽數(shù)；和為導條和端環(huán)的電阻；為轉差率；為電阻修正系數(shù)⑼。對于本文的計算模型，不考慮轉子端環(huán)的電阻，所以公式(2-6)可化簡為：(2-7)高壓感應電機動態(tài)模型建立與計算方法從上一節(jié)所列出的電機內(nèi)基本熱源公式可以發(fā)現(xiàn)，電機內(nèi)的損耗和很多參數(shù)有關，并且在電機起動過程中部分參數(shù)是隨時間瞬態(tài)變化的，所以要想準確的分析電機內(nèi)的溫升情況就要建立合適的動態(tài)數(shù)學模型對起動時這種暫態(tài)過程的損耗進行準確可靠的計算。本文采用在矢量變換和坐標變換理論的基礎上建立起簡單易行的高壓感應電機動態(tài)數(shù)學模型。將三相繞組的效果用兩個相互垂直、靜止的兩相繞組代替,并通過運算的變換，就可以進行三相電流和兩相電流之間的運算。電機矢量變換和坐標變換的基本理論由高壓感應電動機的運行原理可以知道，感應電機三相的定子電流會在空間產(chǎn)生一個旋轉磁場，其角速度為。假設有兩個繞組，分別為繞組和繞組且兩個繞組互相垂直，并與轉動磁場同步旋轉，繞組的磁場方向和繞組軸線相互垂直，而繞組的軸線方向和合成轉動磁場的方向平行。在繞組中通過直流電，在繞組中也通過直流電產(chǎn)生的磁通量為等效于三相合成的磁場。其中與合成磁場相垂直的分量與感應電動機的轉矩電流等效，另一個與合成轉動磁場相平行的分量等效于感應電動機中的勵磁分量，通過它形成感應電機的磁場。通過調(diào)節(jié)電流的值來調(diào)節(jié)磁場的強弱，調(diào)節(jié)電流的值，便可以在不改變磁場的情況下使轉矩發(fā)生變化⑻)另外，三相感應電機根據(jù)三相繞組的功能還可以等效為兩個互相垂直且靜止的兩相，繞組。在，繞組中所通過的電流在間隔90。時，，同樣會形成一個轉動磁場，只有在這個轉動磁場的轉動方向和大小都與三相合成的轉動磁場相同時，那么，繞組就可以和三相合成產(chǎn)生相同的效果，也就等效于，繞組。運用矢量變換的運算，，繞組與轉動磁場同步轉動，通過的直流電流，的效果與靜止的繞組，里通過的交流電流，等效。由于三相電流，，和，有著穩(wěn)定的關系，因此只要通過轉換運算，就可以實現(xiàn)三相電流，，和兩相電流和之間的換算,,分別是繞組的軸線并且在空間里保持靜止的，選擇軸為參考坐標軸，，為靜止的兩相坐標系，軸與軸重合，且三相空間各自相差120。。依據(jù)矢量變換理論和三相靜止與兩相靜止坐標系相互之間存在的向量關系，便可以得出三相靜止與兩相靜止坐標系之間相互轉化的轉化矩陣⑻‘°(2-8)可以利用坐標變換和矢量變換來求解感應電動機的方程，首先要對，，在三相靜止坐標下的交流量轉換到，兩相靜止坐標下的交流量，然后再轉換成和旋轉磁場同步轉動的，兩相坐標下的直流量電機動態(tài)基本方程的建立及求解方法因為在電機的起動時，電機的轉速在逐漸的增加，所以在進行起動過程的計算時，采取同步速度恒定旋轉的，坐標系是相對容易的，利用坐標和矢量變換的目的就是簡化電機的狀態(tài)方程。并通過電機的靜態(tài)數(shù)學模擬進行分析，分別得到在不同坐標系下的電壓方程和磁鏈方程，再利用坐標變換就能夠得到在，坐標系下的電機動態(tài)方程⑻，如公式(2-9)所示。采用標幺值時貝IJ：,因為高壓感應電機轉子采用鼠籠型，對稱并且轉子繞組是短接的形式，所以在計算時可將轉子電壓視為零，即。所以可將狀態(tài)方程進一步的整理成如式(2-10)的形式。(2-9)采用標么值將上式進行整理得出：(2-10)式中：和分別為定子的電抗和電阻；和為轉子的電抗和電阻；為勵磁電抗。以上方程即為，坐標系下高壓感應電機的基本動態(tài)計算方程，利用該方程就可以對高壓感應電機的起動性能進行計算。在狀態(tài)方程中轉速是變化量，下面進行說明電機起動過程中轉速的運算方法。對于電機轉動系運動方程的分析，在我們學習的電力拖動及電機學教材中，高壓感應電機起動過程的旋轉系運動方程表示如下：(2-11)式中：為電機的電磁轉矩，單位為：為感應電動機的負載轉矩，單位；為感應電動機的加速轉矩，單位同上；為感應電機負載的轉動慣量，單位；Q為電機的角速度，單位。通常情況下電機產(chǎn)品給出的參數(shù)中不含有負載和感應電機的慣性轉矩，而是給出飛輪的轉矩，單位為，它們之間的數(shù)學表達式為如zZ(2-12)將式(2-12)帶入到轉動系運動方程(2-11)中，可得：(2-13)在工程計算中，通常都采用標幺值系統(tǒng)來對計算過程進行簡化，可得：(2-14)式中：為轉子轉速的標幺值；為感應電機的同步角速度，單位為；為同步轉速，單位為。采用標幺值表示公式(2-14)時，若用和來分別表示和的標幺值，則有:(2-16)式中：為額定功率;。經(jīng)過推導得到用標幺值來表示電磁轉矩的計算公式為.：(2-17)式(2-10)、(2-16)、(2-17)構成高壓感應電機動態(tài)狀態(tài)下的基本計算方程，利用以上動態(tài)方程便可對電機的起動電流、轉速、電磁轉矩進行計算。在此基礎上本文為了實現(xiàn)所要研究的內(nèi)容，對數(shù)值的運算方法進行了篩選,運用四階龍格-庫塔法計算狀態(tài)方程便可達到實際運行時所要滿足的運算精度[37]o從上文推導出的計算公式(2-16)可以發(fā)現(xiàn)，要在電機負載轉矩的基礎上來分析電機的電磁轉矩和起動電流。圖2-1為本文樣機在額定負載時負載轉矩和轉速所成的曲線關系。通過曲線擬合的方式得到負載轉矩的推導公式，并發(fā)現(xiàn)電機負載轉矩和轉速之間以相似拋物線的趨勢變化，將電機轉速在不同時刻的計算值代到負載轉矩公式中，進行起動過程計算。求出此刻負載轉矩的值，從而可以進行電機起動過程中電磁轉矩和起動電流的計算45。圖2-1電機負載轉矩和轉速的曲線Fig.2-1Curvesofloadtorqueandspeedinmotor由于電機起動過程中轉速不是常數(shù)，因此公式(2-10)是一個非線性微分方程組，因此對其求解前首先要進行線性化處理。當取常數(shù)時，本文建立的狀態(tài)方程屬于常微分狀態(tài)方程。采用時間離散化的方法將原狀態(tài)方程轉化為常系數(shù)的微分方程來求解，這樣在每一個時間步長內(nèi)將視為常數(shù)。由于感應電機轉速是隨時間逐漸升高的，因此可以采用一階歐拉法對(2-16)式進行數(shù)值積分的計算。由公式(2-17)計算出電磁轉矩，由于公式(2-17)中定、轉子的電流需要通過公式(2-10)得到，因此在積分的過程中需要與公式(2-10)聯(lián)立求解。每一個步長內(nèi)的負載轉矩依據(jù)圖2-1中的負載轉矩曲線求解出來。依據(jù)計算得到的兩相定子電流分量就可計算出定子起動電流：(2-18)本文是通過對時間的離散化進行計算的，可以在得出電機動態(tài)性能的同時精確計算出電機的起動時間，并使算法簡單化，根據(jù)計算時間的步長和電機到達穩(wěn)態(tài)時總的運算次數(shù)便能確定起動所需要的時間：利用動態(tài)模型計算高壓感應電機起動時熱源損耗電機的起動過程是一個電與磁耦合的過程，從上一節(jié)的分析中得到了感應電機起動時特性曲線算方法，通過計算起動特性的基本公式能夠知道，電機電磁轉矩和起動電流是在電機阻抗參數(shù)的基礎上計算出來的，所以對電機起動特性進行分析的前提條件，是研究電機阻抗的具體變化情況。本文以YJKK500-4,2500kW緊湊型高壓感應電機為分析研究對象，本樣機的主要參數(shù)如下表2-1所示。表2-1樣機的主要參數(shù)Table2-1Mainparametercalculationofprototype性能參數(shù)額定功率2500kW額定電壓6kV功率因數(shù)>0.94效率96.6%額定轉速1480r/min絕緣等級F級(155℃)電機極數(shù)4轉差率0.861%定子鐵耗27819W續(xù)表(2-1)定子銅耗15978W轉子銅耗21916W機械損耗10688W雜散損耗12940W電磁轉矩16670負載轉矩16376基本尺寸鐵心長度900mm定子外徑900mm定子內(nèi)徑560mm氣隙3.2mm轉子內(nèi)徑310mm定、轉子參數(shù)定子繞組丫接定子槽型開口槽轉子槽型平行槽勵磁阻抗261.3轉子電阻0.115轉子漏抗1.655鼠籠轉子是緊湊型高壓感應電機常用的一種轉子結構，當電機從靜止變?yōu)樾D時，轉子導條中的電流是不均勻分布的，這是因為電機起動時會產(chǎn)生較強的集膚效應。電流密度從轉子槽口到槽底逐漸減小，并且轉子的漏抗和電阻都會隨著電流頻率的變化而發(fā)生改變。28本文采用文獻［7］所闡述的將起動特性與動態(tài)阻抗進行耦合計算的方法。此方法考慮到電機的阻抗會受到集膚效應和飽和效應的共同影響，并且起動過程中這兩者的程度會隨著轉速和起動電流的改變而變化，處于互相影響的關系，所以電機的阻抗和起動特性必須采用耦合計算，單一的計算都會使準確性降低49。通過利用文獻中起動特性曲線與動態(tài)阻抗耦合的計算方法，得到YJKK緊湊型高壓感應電機起動過程中集膚效應系數(shù)與轉速的變化曲線如圖2-2所示，轉子電抗和電阻與轉速的變化曲線如圖2-3所示。圖2-2,隨轉速變化曲線

Fig.2-2,versusspeed圖2-3轉子電阻、電抗隨轉速變化曲線Fig.2-3Rotorresistanceandreactanceversusspeed根據(jù)以上綜合分析所得到的結論，利用動態(tài)模型還可以得到YJKK500-4,2500kW緊湊型高壓感應電機在不同負載下起動過程中的負載轉矩、電磁轉矩和起動電流倍數(shù)隨轉速變化的起動特性曲線，如圖2-4所示。通過兩圖的比較可知，電機帶不同的負載也會對電機起動過程產(chǎn)生影響，即影響起動電流的變化、起動時間及轉矩的變化。(a)額定負載下動態(tài)特性曲線(b)1.5倍額定負載下動態(tài)特性曲線

圖24不同負載下高壓感應電機的動態(tài)特性曲線

Fig.2-4Dynamiccharacteristiccurveofhigh-voltageinductionmotoratdifferentload

圖2-5為樣機起動過程各相電流值隨時間變化的曲線，從電流到達穩(wěn)定狀

態(tài)的時刻就能夠得出電機起動所用的時間，在圖中能夠觀察出電機起動約5秒

時電流基本達到穩(wěn)定。在低速段，定子電流的震蕩幅度相對穩(wěn)態(tài)運行時變化很

大，此時電機內(nèi)的損耗就會大量的累積，而由于轉速很低只會有少量的冷卻氣

體進入電機內(nèi)，容易導致溫升過高的危險事故發(fā)生。圖2-5額定負載下起動電流隨時間變化曲線Fig.2-5Curveofaphasestartingcurrentversustimeatratedload根據(jù)損耗公式(2-5)可知，在計算起動過程中定子繞組的損耗時，若忽略定子的集膚效應及溫度對電阻的影響，則只有定子電流是瞬態(tài)變化的，所以要利用上文的耦合計算得出電機起動時，定子電流隨時間的變化情況。如圖2-6為額定負載下定子電流倍數(shù)隨時間變化的曲線。圖2-6額定負載下電機起動電流倍數(shù)隨時間變化的曲線Fig.2-6Curveofversustimecurrentfactoratratedloadwhenmotorstarting由于通過動態(tài)模型計算得到的是參數(shù)是關于時間變化的曲線，若要將其應用到損耗計算中就要將其轉化成函數(shù)的形式。本文采用Matlab曲線擬合工具箱對起動性能參數(shù)的曲線進行擬合。利用的是曲線擬合的逆運算，在已知連續(xù)曲線的基礎上擬合成函數(shù)。以圖2-6中曲線為例，擬合出定子電流倍數(shù)和時間的函數(shù)是.?個4階的高斯(Gauss)函數(shù)，如下式：(2-20)式中：n表示起動定子電流的倍數(shù)公式；為時間。利用擬合出的函數(shù)并根據(jù)定子繞組損耗公式(2-5),可推導出起動時定子繞組瞬態(tài)銅耗的求解公式，如下：式中：為額定負載時定子銅耗。利用動態(tài)模型同樣可以得到電機起動時電磁轉矩隨時間瞬態(tài)變化的曲線，如圖2-7所示。和上文中的各項參數(shù)變化結合起來，同樣利用擬合的方法將所需要的計算參數(shù)都轉化成參數(shù)關于時間的函數(shù)，代入到上文導條損耗的計算公式(2-7)中，便可得到轉子導條損耗隨時間變化的函數(shù)關系。圖2-7額定負載下電磁轉矩隨時間隨轉速變化曲線Fig.2-7Curveofversustimeelectromagnetictorqueatratedloadwhenmotorstarting2.4本章小結對坐標變換和矢量變換的特征及變換的方法進行分析，并以此為前提建立起兩相系下的動態(tài)方程，同時研究了電機旋轉系的運動方程。根據(jù)F,N坐標系描述的感應電機動態(tài)下的基本方程式。建立高壓電機起動過程的動態(tài)模型，并將電機的起動特性和阻抗的變化情況進行耦合分析，計算出電機起動時各個參數(shù)的變化情況，從而推導出電機起動時各個損耗隨時間的變化情況，為下面電機起動過程的仿真計算提供熱源的設置依據(jù)。第3章高壓感應電機起動過程散熱的分析為了提高電機的可靠性，電機散熱的研究已成為電機分析和設計中的一個重要課題。電機的散熱是指：冷卻介質(zhì)在電機內(nèi)流動時，將帶走電機內(nèi)由損耗產(chǎn)生的熱量。電機的通風對電機的溫升和效率等指標有著不可忽略的影響，但是由于電機起動過程中冷卻氣體流動的復雜性及求解非線性風阻網(wǎng)絡回路的困難性，因此對現(xiàn)有的YJKK緊湊型高壓感應電機起動過程中散熱的計算還是不夠全面。電機起動時風速的改變會影響到電機內(nèi)通風冷卻的效果，從而散熱量也會變化，所以只有準確的分析電機起動時通風系統(tǒng)內(nèi)風量分布和風速的變化,才能對瞬態(tài)溫度場的仿真計算時，為邊界條件的設置提供可靠的依據(jù)。電機通風結構電機的溫升受通風散熱結構的直接影響很大，當前電機公司所生產(chǎn)的方箱式電機的主要通風結構大致有兩種，其中--種是混合通風結構即將軸向通風和徑向通風結合在一起，而另外一種是只有徑向通風的結構。選用混合通風系統(tǒng)的益處是通風散熱的效果很好，但從整體來看溫度在電機軸向存在梯度；相反,具有徑向通風結構的電機其內(nèi)部的溫度梯度相對很小，但是制冷的效果要比混合通風差一些，綜上所述兩種通風結構是各有利弊的。對本文選取的樣機進行建模計算，此電機是采用徑向和軸向混合通風冷卻的箱式緊湊型高壓電機，通風結構如圖3-1所示。圖3-1樣機內(nèi)部的物理通風系統(tǒng)結構圖Fig.3-1Physicalventilationstructureinsidethemotor首先冷卻空氣從定子背部的入風口處流進電機的內(nèi)部，流過轉子平衡環(huán)和定子的端部后進入到轉子的支架內(nèi)，利用轉子在轉動時所產(chǎn)生的離心力作用，冷卻空氣又將從轉子徑向風溝流進定子徑向風溝內(nèi)，而后氣體又經(jīng)過定子的端部和定子鐵心的背部進入風扇，再利用風扇的離心力作用將冷卻空氣送到出風口，高溫空氣在出風口處經(jīng)冷卻器降溫后又再一次流向入風口，依此循環(huán)。電機內(nèi)流量的分布和散熱計算由于受到轉子轉動的影響，使冷卻氣體在電機內(nèi)部的流動情況變得比較復雜，對風量進行求解時采用帶有集中參數(shù)的等效風路法，這樣就可以把繁雜的氣體動力學問題化簡成由風阻和風壓源所構成的等值風網(wǎng)絡。用風阻網(wǎng)絡的方法，根據(jù)緊湊型高壓感應電機的具體結構來進行建模，并準確的計算出電機內(nèi)各部分的通風風阻，與此同時不僅能夠得到電機內(nèi)的風量還可以計算出電機內(nèi)各部分的風速和風量的具體分配情況。電機內(nèi)風阻網(wǎng)絡模型的建立.基本的假設為便于感應電機內(nèi)部通風情況的分析，并根據(jù)本文樣機內(nèi)冷卻系統(tǒng)的實際流動情況，對計算模型做出如下的假設：1）流體的不可壓縮性，即比重不變；2）流體是連續(xù)的介質(zhì)，即流量和壓力均連續(xù)變化；3）流體的流動是屬于定常流動的，流體場中的密度、流速、溫度、壓力等物理量是不隨時間變化的。.等效風網(wǎng)絡感應電機的冷卻方式按電機內(nèi)冷卻空氣的流動方式來分，主要分為徑向、軸向和混合式三種，每種冷卻形式中又含有各種不同的結構。等效風路網(wǎng)絡會根據(jù)電機的冷卻結構的不同而不同網(wǎng)，為了能夠保證必要的計算進度，并且使計算的風阻網(wǎng)絡盡量簡單，本文做出如下簡化：由于定子和轉子間的氣隙很小且風阻很大，可以忽略進入到氣隙內(nèi)部的冷卻氣體；由于電機的對稱結構，可以認為電機的通風系統(tǒng)也是對稱的,只對一般的風阻網(wǎng)絡進行計算。在上面的假設和化簡的基礎上建立YJKK緊湊型高壓感應電機內(nèi)部的等效風阻網(wǎng)絡，如圖3-2所示。根據(jù)風網(wǎng)絡理論只要能夠通風的地方就與一個風阻相對應，電機內(nèi)風道風阻的計算公式如下：（3-1）式中：為局部阻力的系；為流體的流量；為流體的過流面積；為流體的密度。圖3-2電機內(nèi)等效風阻網(wǎng)絡圖Fig.3-2Motorwindagenetwork對照電機實際通風結構，圖3-2中的各個風阻的含義很容易明確。其中定子徑向通風溝內(nèi)的風阻又是由五個局部的風阻組成：其中包括由于定子繞組的實際結構導致風道入口處的過流面積瞬間縮小的風阻、轉子導條在通風道內(nèi)的等值風阻、風溝內(nèi)定子齒部的沿程風阻、風溝內(nèi)從齒部到粗部的過流面積忽然增大風阻、風溝內(nèi)規(guī)部的沿程風阻，如下圖3-3所示。圖3-3定子徑向通風溝風阻的構成Fig.3-3Windageofstatorradialairduct局部阻力系數(shù)會因過流面積的突然減小或增大而發(fā)生改變計算公式如下所示：(3-2)式中：，分別是過流面積突然變化前和突然變化后面積。定子齒部和筑部沿程阻力的系數(shù)計算公式如下所示：(3-3)式中：，分別是流體通道的長度及等效直徑；為雷諾數(shù)。在電機徑向風溝中局部阻礙的距離是很近的。依據(jù)上面敘述的理論，總風阻并不與各個局部風阻的相加之和相等。實際上，由于風道相對比較短，不能將損失全部顯現(xiàn)出來，因此單個局部風阻相加之和應大于總風阻。假設是定子每個徑向通風溝內(nèi)總風阻，則是每個定子徑向通風溝內(nèi)各部分的局部風阻，所以對于中型高壓感應電機來說有。根據(jù)同一理論可知，轉子徑向通風溝的風阻也是由對應的五個局部風阻組成，但是轉子的通風溝是旋轉的狀態(tài)，因此要以靜止阻力系數(shù)為基礎下對轉子的風阻進行旋轉修正，其中主要包含兩個方面：.徑向旋轉的局部損失系數(shù)(3-4)式中：為修正后的損失系數(shù)；為靜止時的損失系數(shù)；，為角速度；為相對流速；流體的流動粘度系數(shù)；為等效水力直徑由，.與轉軸線平行的旋轉風道局部損失(3-5)式中：為風道軸線處的圓周速率；為氣流對風道的相對速度的，流體流過冷卻器形成的風阻，其主要的構成是散熱氣體進出冷卻器的排管時所形成的局部風阻。算例樣機的冷卻器排管如下圖34所示。氣體從感應電機的出風口進入到冷卻器排管和氣體經(jīng)過冷卻器冷卻后流出冷卻器排管的阻力系數(shù)計算公式分別為下式：(3-6)式中：、分別為管中氣隙截面積和氣體所有的過流面積。根據(jù)所求出來的風阻，風阻Z上與之對應的壓降為：當電機的轉子轉動時，徑向通風溝內(nèi)的導條可以等效于離心式風扇的葉片,由此它們會產(chǎn)生徑向的風壓。所以，根據(jù)風機的原理，轉子徑向通風溝內(nèi)由于導條旋轉所產(chǎn)生的風壓計算公式如下所示：(3-8)式中：、分別為轉動部分徑向內(nèi)、外側的圓周速度；為重力加速度。圖3-4冷卻器排管結構圖Fig.3-4Structureofcoolerrowtubes對于箱式電機和YB系列電機來說內(nèi)風扇的作用非常重要，其作用是和轉子通風槽板并聯(lián)或串聯(lián)，以克服通風溝風阻、冷卻排管風阻和風扇自身的風阻,使電機內(nèi)部氣體流動，把電機內(nèi)部產(chǎn)生的熱量以熱量交換的形式與冷卻器進行換熱，或者將產(chǎn)生的熱量直接帶到外界空氣中去。除方箱電機H630-2電機外，內(nèi)風扇通常應用鋼板焊接結構的離心式風扇。采用后傾式的風扇是很多方箱電機用來減少機械損耗和噪聲常用的方法，離心式風扇的實際結構如圖3-5所示。圖3-5離心式用機內(nèi)風扇Fig.3-5Internalfanofcentrifugalmotor離心式風扇壓頭的計算公式如下：(3-9)式中：為流體密度；，為風扇葉輪的內(nèi)、外徑處的線速度.。風阻網(wǎng)絡的求解及結果分析電機的風阻網(wǎng)絡屬于非線性網(wǎng)絡，在電機起動過程中會隨著轉速的變化而變化，并且電機內(nèi)流體的流動情況也會隨之改變，只有當電機進入穩(wěn)定的運行狀態(tài)時，冷卻氣體才會以穩(wěn)定的狀態(tài)進行循環(huán)。本章依據(jù)電路學原理，選用回路流量的方法對機電的風阻網(wǎng)絡進行計算求解。函數(shù)風阻的實質(zhì)在于管道中某一區(qū)域內(nèi)單位流量通過時所的壓降。引用函數(shù)風阻的定義后，在風路計算中三個基本的應用方程即：；；，將風路理論和電路理論中的變量一一對應：；；；。這樣，電路分析中的回路電流法就可以應用到風路的計算中來。下面為風阻網(wǎng)絡求解的具體步驟：.假設每個支路的函數(shù)風阻為(為支路的編號)，明確獨立回路以及回路的方向；.采用回路流量的方法，列寫線性方程組。其中為回路流量的向量，；函數(shù)風阻的矩陣，為與回路相關聯(lián)的全部支路函數(shù)風阻相加之和，為回路與回路之間公共支路的函數(shù)風阻之和。在式中的正負號代表的是通路中流過公共風阻時的方向是否相同，相同時取正號，不相同取負號。該矩陣屬于一個對稱陣。.是風壓升的向量，回路中全部風扇升的代數(shù)和為，正負號的確定主要看風壓升的方向是否和回路方向一致，相同取正，不同則取負。對于含有個節(jié)點、條支路的風路，、均是維的向量，是一個階的對稱矩陣。.求解此方程組，得出回路流量的向量。.應用回路流量，求解支路的流量。，與支路相的回路流量代數(shù)和為，當與回路方向一致時，前要取正號，不一致則要取負號。.利用計算出的結果對風阻函數(shù)進行修正。.誤差判斷，給定誤差精度，當兩次相鄰迭代計算所得的風壓上升向量,時，可認為計算結果已收斂，這時的流量可視為風網(wǎng)絡的流量解地］。根據(jù)所得到的電機各個部分的流量就可以對各處氣體的流速進行計算，流體的流速為風溝內(nèi)流量與風溝過流面積之比。對所選取的樣機建立風阻網(wǎng)絡模型，進行計算求解，得出電機內(nèi)風量分配關系。圖3-6為電機額定轉速時軸向風道流量圖，其中流進定子背部的流量為2.478n?/s,流進轉子軸向的流量為0.9217m3/So圖3-6額定轉速下電機軸向流量Fig.3-6Flowofaxialatratedload圖3-7分別為1/2額定轉速和額定轉速下電機徑向風溝內(nèi)的風量分配圖。空氣流量在1到14號徑向通風溝內(nèi)的分配量逐漸增多，因為在轉子的軸向入口處,散熱氣體流量相對較大，流體軸向運動的慣性也較大，所以流入1號徑向風溝的流量很少。隨著流體軸向運動速度逐漸的降低，流進徑向通風溝的流量也逐漸增多，計算結果與氣體的運動規(guī)則相符。由于散熱氣體的溫度從入口流到出口的過程會逐漸上升，同時在此過程中徑向通風道內(nèi)冷卻氣體的流量也逐漸增大，這樣有利于電機沿軸向溫度的平衡。通過對電機在不同轉速下風網(wǎng)絡的求解計算可以發(fā)現(xiàn)，電機起動過程中徑向通風溝內(nèi)的流體流量與電機轉速基本呈線性關系。這是因為當電機處于低速旋轉時，風扇與轉子之間產(chǎn)生的風壓相對較小，由離心作用進入通風溝內(nèi)的氣體流量也較少，但隨著轉速逐漸的升高，使得徑向通風溝內(nèi)氣體流量也逐漸升高，因此電機內(nèi)的冷卻能力也加強了。(a)1/2額定轉速下電機通風溝內(nèi)風量匹配(b)額定轉速下電機通風溝內(nèi)風量匹配

圖3-7不同轉速時電機通風溝內(nèi)風量匹配

Fig.3-7Ventilationditchandairvolumematchesatdifferentwindspeed通過結論并利用上一章的動態(tài)模型可以得到電機轉速隨時間變化的曲線如圖3-8所示，以圖中曲線為例同樣利用曲線擬合得到速度與時間的函數(shù)：(3-10)式中：為電機的轉速；為時間。由此便能推導出所選樣機起動過程中通風溝內(nèi)風量隨時間變化的函數(shù)。圖3-8額定負載下轉速與時間曲線Fig.3-8Curveoftimeversusspeedatratedload將上面的計算結果與YJKK緊湊型高壓感應電機通風系統(tǒng)的具體結構結合起來分析，可設置計算模型的入口為電機軸向通風口和定子背部的入風口，出口為定子背部的出風口。入口流量的確定如圖3-9所示，以第9號通風溝為例，定子背部入口的流量為，軸向通風入口的流量為。圖3-9入口流量解析圖

Fig.3-9Analysisdiagramofinletflow3.3本章小結本章主要是采風阻網(wǎng)絡法對起動過程的和散熱進行分析和計算。又根據(jù)建立風阻網(wǎng)絡的方法研究電機起動時的散熱情況，并將計算結果和上一章理論結合起來推導出通風溝內(nèi)散熱流量的瞬態(tài)計算函數(shù)，同時根據(jù)樣機的實際通風結構對入風口的流量進行分析，為接下來的仿真研究的邊界條件設置提供依據(jù)。第4章高壓感應電機起動過程流體流動與傳熱的仿

真分析電機的發(fā)熱與散熱是電機領域十分主要的課題，起動的過程中電流迅速增大而轉速相對來說又較慢如果負載過大導致溫升過高會燒毀絕緣層，使電機發(fā)生故障，降低了電機的可靠運行性能。尤其是YJKK緊湊型高壓感應電機能量密度相對高，散熱面積又較小，溫升的問題更為突出。所以，該系列電機起動時的溫升與散熱有著非常重要的意義。將前面兩章的結論與這一章有限元分析法結合起來，對電機起動時的溫升以及冷卻效果進行仿真分析。在此基礎上，要合理的對電機加載負荷，保證電機溫升不會過高，保證電機正常運行。根據(jù)上文所得出的分析結果，利用有限元的方法對起動過程進行實際的仿真分析。高壓感應電機三維計算模型的建立在利用有限元法分析實際工程問題的時候，建立仿真模型是至關重耍的一步，不僅決定了計算的準確性，也影響計算過程速度的快慢。若建立整體模型由于剖分內(nèi)存過大，對計算機的要求提高并且計算速度會大大降低；若進行局部的建模有時又會導致計算的準確度降低，對結果的分析產(chǎn)生影響。所以，要根據(jù)具體的實際情況和分析的對象來選擇模型建立的方法。本文所述論文采用周期邊界，首先對穩(wěn)定狀態(tài)下整體的電機溫升情況進行仿真，得出溫升比較高的區(qū)域，在此基礎上對該區(qū)域進行局部建模分析，這樣既節(jié)省了計算時乂能夠了解電機整體的流體流動和溫升情況。在對YJKK緊湊高壓感應電機的熱源和通風散熱分析的基礎上，再結合Fluent仿真軟件自身所具備的功能特點，可以對電機模型進行以下簡化：.由于本文研究的YJKK系列電機內(nèi)部結構十分復雜，并且不具有軸對稱的幾何特點，故需要建立三維模型來進行計算。.YJKK系列電機具有周期稱的特點。若只考慮感應電機定、轉子的部分，定、轉子是以轉子轉動時的旋轉軸為同心軸的共軸圓柱，并且定、轉子在結構上呈現(xiàn)出以周期性沿著圓周分布的特點，這樣可以只考慮溫升較高區(qū)域的1/12區(qū)域進行計算就可以了。.考慮到在該系列電機端部的結構，主要是轉子端環(huán)和定子繞組所在的結構位置，雖然這兩個發(fā)熱體會產(chǎn)生較多的熱量，但是冷空氣的入口在這兩個發(fā)熱體的正上方，所以在電機的端部溫度升高較為緩慢，為了研究的方便，不考慮端部溫度的影響。此時的電機模型是十分符合周期性對稱性的。.在對網(wǎng)格進行劃分時要盡量的使網(wǎng)格結構化。而且網(wǎng)格的結構最好是選作六面體網(wǎng)格，這樣網(wǎng)格數(shù)相對比較少，并且計算精度會相對較高，同時網(wǎng)格劃分簡單，計算的時間和復雜程度都明顯降低本文首先對YJKK高壓電機在穩(wěn)定狀態(tài)下的整體溫升情況進行分析,表4-1為建模需要的部分尺寸，在此基礎上對溫升較高的部分再進行局部的建模仿真分析。電機整體溫度的徑向剖分云圖，如圖4-1所示。通過溫度云圖可以明顯的看出在9號與10號通風溝之間定子繞組的溫度相對最高，所以取圖中的虛線部分(9號通風溝)作為最后的仿真及分析的對象，這樣既可以節(jié)省建模的時間，并且網(wǎng)格剖分數(shù)與整體建模比會大大減少，節(jié)省計算的時間。表4-1計算樣機的尺寸Table4-1Themainparametercalculationofprototype通風溝數(shù)量通風溝寬度(mm)入口面積(mn?)入口面積(mm?口面積(mn?)出口面積(mn?)轉軸內(nèi)徑(mm)轉子外徑(mm)12856303210553.6圖4-1電機徑向溫度分布云圖Fig.4-1Radialtemperaturecontoursofmotor為了使計算的速度更快一些，根據(jù)電機結構的近似圓周對稱性，在軸向上取1/12進行建模。由于建立的是局部模型有些結構需要進行折算，本文研究的YJKK型感應電機的軸上焊接有6個幅板，如圖4-2所示。為保證折算后流體的截面積與固體的截面積均不發(fā)生改變，采用下的公式對幅板進行折算：(4-1)式中：為折算后截面積；為折算前各個幅板的截面積。圖4-2電機軸的結構圖Fig.4-2Structureoftmotorshaft根據(jù)以上的折算方式利用gambit繪圖軟件建立的計算區(qū)域的物理模型如圖4-3所示。其中：1為定子絕緣；2為定子繞組；3為槽楔；4為氣隙；5為轉子導條；6為轉軸；7、8為轉子流域；9為轉子鐵心；10為定子鐵心；11為定子流域；、、為入風口。圖4-3計算區(qū)域的物理模型圖Fig.4-3Physicalmodeloftheareaforcalculation計算模型網(wǎng)格的剖分在離散分析中網(wǎng)格的生成技術是至關重要的，網(wǎng)格的質(zhì)量直接關系到最后求解結果的準確性及精確度。網(wǎng)格的類型整體被分為兩大種：結構網(wǎng)格和非結構網(wǎng)格，所謂結構網(wǎng)格就是網(wǎng)格點之間除了邊界點外是有序且規(guī)則的；而非結構網(wǎng)格則是網(wǎng)格的網(wǎng)格單元和節(jié)點之間是沒有規(guī)律性的，其節(jié)點分布也完全是任意的。使用結構網(wǎng)格最大的好處就是能夠方便的解決邊界條件問題，提高計算的準確性，而且還可以結合隱式算法和多重網(wǎng)格法，能極大的提高計算效率,但是采用這種方法也是有缺點的，就是對于復雜的網(wǎng)格很難去生成，或者不可能生成。相反，非結構網(wǎng)格在于處理復雜問題時具有很好的適應性。但是，在相同網(wǎng)格數(shù)的情況下，它需要的內(nèi)存卻更大、計算周期則更長。所以要選擇適合的網(wǎng)格類型進行剖分。建立了如圖4-3所示的三維模型之后，根據(jù)上文可以知道結構和非結構網(wǎng)格各有優(yōu)缺點，所以，在滿足剖分條件的前提下，本文將二者的優(yōu)勢結合起來,采用混合網(wǎng)格的方法對模型進行剖分，具體如圖4-4所示圖44計算區(qū)域的網(wǎng)格剖分圖Fig.4-4Meshgenerationoftheareaforcalculation根據(jù)整個模型采用周期性邊界條件的特點，必須首先要將這7對側面進行鏈接(link)。例如：圖4-3中側面和就同屬于一對周期面，了保證兩個面在劃分網(wǎng)格時具有一樣的網(wǎng)格分布規(guī)律，故將兩個面在進行周期性設置時進行鏈接。將全部具有周期性的邊界面鏈接以后就能進行網(wǎng)格劃分，在劃分網(wǎng)格時要盡量選用是結構化網(wǎng)格。這樣可以減少計算網(wǎng)格的數(shù)量，進而節(jié)約計算時間，提高計算的準確性，而且六面體網(wǎng)格具有較好的收斂性。對于計算模型中其它具體結構在劃分網(wǎng)格時，都需要采取相似的方式來處理。如上圖4-4所示，全域網(wǎng)格共剖11.167萬個結點，15.45萬個網(wǎng)格，43.579萬個面。對于熱源，通風溝等重要研究的地方為了提高計算的精度保證計算結構的準確性，網(wǎng)格還需要進行細化來提高網(wǎng)格的質(zhì)量如圖4-4中的放大部分。仿真計算的基本假設和邊界條件的設定基本假設根據(jù)YJKK緊湊型電機實際結構的對稱性和導熱特點，在對瞬態(tài)溫度場進行計算前應作如下假設：.熱密度在熱源體內(nèi)均勻的分布㈤咒.初始計算條件電機溫度與環(huán)境溫度相同并且均勻分布；.由于電機表面的輻射換熱相對很少，所以不予以考慮，并且環(huán)境溫度始終不變：.定子繞組的集膚效應忽略不計；.假設電機內(nèi)各個部件間緊密接觸，沒有接觸熱阻。.繞組主絕緣與層間絕緣材料熱性能相同i⑵。.由于電機溫升時鐵心的繞組是主要的熱源，并且端部的建模增加整體計算的復雜程度，所以建模時不考慮端部繞組。.起動過程中轉子的發(fā)熱主要是由轉子導條損耗引起的，鐵心損耗可以忽略不計［321350；.空氣流體浮力和重力的影響可忽略:向。瞬態(tài)場邊界條件的設定將網(wǎng)格文件導入Fluent軟件之后的處理過程如下：.讀寫網(wǎng)格文件在審查網(wǎng)格以后，采用標尺功能去選擇模型的長度單位,選擇建模時的長度單位毫米。.光順網(wǎng)格在劃分網(wǎng)格時，因為模型的形狀不規(guī)則，而且還采用了非結構化網(wǎng)格來劃分空間，也就是四面體劃分，所以要進行光順網(wǎng)格。.更改計量單位為了使用方便，將角速度更換為轉每分鐘，溫度的單位設定為攝氏度。.形成周期性邊界模型中如和的所有側面的周期性邊界(periodic)需要設置為旋轉的周期性邊界(rotational)。.設置接口將兩個相對應的接口設定成耦合接口。而且對于其他的相關的面都設置成接口邊界。.選取合適求解器選擇在壓力狀態(tài)下的隱式方式，在計算速度方程時要將絕對值代入計算，三維計算瞬態(tài)問題，。.選擇粘性模型選擇雙方程模型計算湍流方程，格式(swirldominatedHow)適用于有旋轉的狀態(tài)，壁面函數(shù)要選擇標準壁面函數(shù)。.能量方程的加入因為過程涉及到傳熱，所以要應用能量守恒方程。.材料性質(zhì)的設置這里主要分析以下兒種材料，即空氣、鐵、銅鋁，以及絕緣材料。.邊界條件設置總體可以分為固體區(qū)域、流體區(qū)域及各個邊界面的邊界設置：1)固體區(qū)域的設置，固體可以作為發(fā)熱體向外界傳熱，所以要將發(fā)熱的固體設置為體積熱源。除此之外，因為轉子鐵心和導條為旋轉體并且按照速度函數(shù)逆時針旋轉，所以采用旋轉坐標系。旋轉坐標系就是通過創(chuàng)建一個與旋轉部件一起轉動的坐標系來建模，從而可以視徑向上的加速度為常數(shù)。本文的計算模型中的轉子鐵心、導條、轉子通風溝需要進行旋轉坐標系的設置，在Fluent軟件中旋轉坐標的設置是選中研究體性質(zhì)選項中的FrameMotion選項，如圖4-5所示。圖4-5旋轉坐標系的設置界面Fig.4-5Settingsinterfaceofrotatingcoordinatesystem2)流體區(qū)域的設置，主要是要考慮電機內(nèi)流體的運動狀態(tài)(旋轉或靜止)，從整體考慮流體域中一部分會受到轉子旋轉的影響，靠近轉子的流體以近似于轉子轉動的速度旋轉，靠近定子部分的則近似為靜止狀態(tài)。3)