基于fluent的大中型永磁电机端部流场和温度场计算

DOI:10.13632/j.meee.2009.10.008

Vol.29 No.10 2009.10 船电技术 2009年 第10期

基于fluent的大中型永磁电机端部流场

和温度场计算

杨松 柳长江

（中国船舶重工集团公司七一二研究所，武汉 430064）

摘 要：基于CFD流体计算软件fluent，对大型永磁电机定子端部通风结构和流动区域进行了分析，确定了三维流体场的求解域，建立了包括散热器和风扇在内的定子端部模型，给出了求解域内的边界条件并且进行了计算和分析；优化了通风结构。得到了端部温度场的分布规律，该结果对电机设计人员的通风通风系统和绝缘结构的设计提供了理论依据。 关键字：永磁电机 定子端部 流体场 温度场

中图分类号：TM351 文献标识码：A 文章编号：1003-4862 (2009) 10-0025-04

Fluid and temperature field calculation of stator winding end in

Large and middle size Permanent motor by fluent

Yang Song, Liu Chang Jiang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, CSIC, Wuhan 430064, China）

Abstract: In this paper, temperature distribution and heat transfer characteristics of ventilation structure in stator winding end are thoroughly analyzed by CFD software fluent. Besides, the 3D-equivalent model including radiator and fan is set up and the boundary condition and solution field are also considered. Based on the model mentioned above, optimized ventilation structure can be obtained from temperature distribution of stator winding end. This method and result can give a reference to motor design. Keywords: permanent motor, stator winding end, fluent field, temperature field

散热系数的重要因素。通常电机端部流体的流动状态是很复杂的，流体流速的变化也是不均衡的，流场的准确计算具有一定难度。因此，电机端部散热系数的计算具有相当大的难度。目前大多数文献中，都是采用有限元法对电机的温度场进行数值模拟，但没有将流动和传热过程进行偶合计算，只是根据经验公式求出流体的流速，然后计算电机的散热系数，给计算带来很大的偏差；由于没有考虑流体的流动及阻力特性，因此也不能提供有效的满足冷却条件的通风特性参数。本文采用有限体积法，应用流体计算软件fluent，对

1 引言

随着现代电机制造工业的发展，永磁电机的单机容量不断增大，技术经济指标大大提高。这无疑使得电机运行时产生的单位体积损耗显著增加，引起电机各部分温度升高，这直接影响电机的寿命和运行的可靠性。因此温度场计算对永磁电机的设计至关重要。

电机内部热现象的分析和温度场的准确计算很大程度上取决于电机的散热系数和散热介质的温度，而电机端部冷却介质流速的变化是决定

收稿日期: 2009-06-16

作者简介：杨 松（1981-），男，助理工程师，研究方向：永磁电机。

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一台永磁电机端部冷却过程的流动和温度场进行了计算分析。

内能。可表示为：

v2

E=h?+ (7)

ρ2

p

2 数学模型和计算方法

采用有限体积法建立定子端部通风冷却过程的数学模型，流动和传热偶合过程通过以下方程组进行描述和计算：

流体质量守恒方程（连续性方程）： ?ρ?(ρux)?(ρuy)?(ρuz)+++=0 (1) ?t?x?y?z；ux，uy，式中，ρ——流体的密度（kg/m3）

uz——流体在x，y，z方向上的速度（m/s）。

h为流体的显热焓，可表示为：

h=

∫

T

Tref

CPdT (8)

（273.15K）；T为流体温度；式中，Tref为参考温度Cp为流体比热。

固体区能量方程：

?

(ρh)+?.(vρh)=?.(k?T)+Sh (9) ?t

流体流动动量守恒方程

?

(ρv)+?.(ρvv)=??.p+ρg (2) ?t

式中， k为固体导热系数； T为固体温度；Sh为体积热源。

3 模型计算和分析

3.1 计算模型

永磁电机端部结构如图1所示，针对永磁电机定子端部的结构特征，将端部绕组、散热器以及它们之间流体流动区域作为整个计算区域，考虑到结构和流动区域周期性边界条件，采用1/24

式中，p为静压；g为重力加速度。 湍流模型采用采用标准k?ε模型，湍流动能k和扩散因子ε通过以下两个传输方程得到：

??(ρk)+(ρkui)=?t?xi??xj

??μt

+μ???σk???

??k?

???x?+Gk?ρε

??j?

(3)

的周期性三维计算模型，如图2所示。用端部绕组的体积发热率来模拟端部的热损耗。

散热器

扇叶

端部绕组

转子

??μt?

μ+(ρε)+?(ρεui)=????σδ?xj??xi?t??+C1δ

??ε?

???x??j?? (4)

ε

k

Gk?C2δρ

ε2

k

式中，μi为 i方向流速；μ为动力粘度；

Gk为当量速度剃度产生的湍流动能； σk,σε分

图

1 端部结构示意图

别为k,ε对应的湍流普郎特数；C1δ,C2δ 为常数，分别为1.44和1.92； μt为湍流粘性系数，可以通过下式计算得到：

k2

μt=ρCμ

ε

(5)

式中，Cμ=0.09 流体能量方程：

??(ρE)+?.(v(ρE+p))=??.?

??t

?

∑

j

?

hjJj?+Sh (6)

??

a)端部绕组模型

式中， E为流体微团的总能，包括动能和

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式中，q0——S2面上的边界热流输入；g(x,y,z,t)——热流密度函数；λ——垂直于物体

表面的热传导率。 3.3 计算结果与分析

本文计算用永磁电机绕组绝缘为F级，按B级考核，绕组温度不允许超过130℃。应用fluent对电机端部不考虑散热器和考虑散热器两种情况

b)求解区域轮廓图 图2三维计算模型图

进行了计算，得到了端部绕组温度分布图，如图3和图4所示。

3.2 边界条件

3.2.1 流场计算边界条件

流场的边界条件是指在求解区域上所求变量随位置和时间变化的规律，当给定了一定的边界条件时，就可以计算出流场的解。本文中用到的边界有：

1） 壁面边界。壁面是流动问题中最常用的边

界。

2） 周期性（循环）边界。周期性边界条件也叫

循环边界条件，常常是针对对称问题提出的。

3） 散热器边界。是热交换的集总参数模型，用

于模拟热交换器对流场的影响。

4） 内部界面（interior）和表面边界（interface）。 5） 对于扇叶旋转的模拟，采用多参考系模型

MRF。

3.2.2 热计算边界条件

为了求出介质中温度分布，必须对适当形式的热流方程求解。因此进行温度场求解时必须给定其边界条件。本文中用到的边界有： 1）温度边界条件（第一类边界条件）：

?T(x,y,z)S=Tc

?1

(10) ?

T(x,y,z)S=f(x,y,z,t)?1?

图4 考虑散热器时端部绕组温度分布图

图3 不考虑散热器时端部绕组温度分布图

表1 不同情况下的绕组温度

不考虑散热器 考虑散热器 绝缘要求

绕组最高温度

142℃ 123℃ 130℃

式中，Tc——边界面S1上的给定温度；

f(x,y,z,t)——已知温度函数；S1——物体边界。

从图3和图4中可以看出，上层绕组的温升比下层绕组高，这是由于下层绕组离扇叶近，经过散热器冷却之后的空气直接吹到下层绕组。所以仿真计算时，当发现上层绕组的温升过高时，应考虑改善通风结构，或者在上层绕组附近增加端部冷却器。从表1中可以看出，当考虑散热器

2）热流边界条件（第二类边界条件）：

??T??λ?n??

??λ?T??n?

=q0

S2

(11)

=g(x,y,z,t)

时，电机端部绕组的最高温度满足设计要求。

S2

4 优化通风结构

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船电技术 2009年 第10期 Vol.29 No.10 2009.10 分析发现，一部分流体没有经过散热器的冷却，而是直接形成了闭和回路，这样导致了流过散热器的体积流量减少，降低了冷却效果。通过反复的计算和分析，确定了如图5所示的通风结构，在绕组的下面靠近扇叶的位置加一个导风板。对经过优化的通风结构，经过流场计算，得到了相同状态下绕组端部温度、绝缘表面散热系数分布图见图6和图7。

挡板

散热器

扇叶

端部绕组

转子

了7℃。因此，使用fluent对电机端部进行流场分析，可以优化电机端部的通风结构，提高冷却效果。

5 总结

1）本文针对永磁电机定子端部和流动区域的结构特征，建立了1/24的周期性三维计算模型，依据流体动力学控制方程和传热方程进行了分析计算。这里分别计算了考虑和不考虑散热器对流场的作用时，端部绕组温度场以及流场轴向截面速度矢量和风扇进出口流迹线分布图，给出了端部绕组的最高温度，优化了通风结构。

2）以上分析表明，运用CFD流体仿真技术研究大中型永磁电机端部绕组的发热与冷却问题是完全可以实现的，其分析结果为电机通风结构和绝缘结构的设计提供了依据，对于电机的工程

注:

风路

图5 优化后端部结构示意图

设计和安全运行具有重要意义。

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清华大学出版社.

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用. 东南大学出版社.

图6 优化后端部绕组温度分布图

图7 绝缘表面散热系数分布图

经过计算，发现通风结构优化之后，端部绕组的最高温度为116℃，比优化之前的123℃降低

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