CASE STUDY

船用发电机内部多物理场耦合数值分析

0 引言

随着电机制造工业的发展，电机的单机容量不断增大，各项技术指标要求也普遍提高，电机的单位体积损耗随之增加，致使电机运行时的温升也不断升高，因此针对电机散热问题的研究至关重要。电机定、转子内部通风沟的存在对电机的散热起着关键性的作用，由于电机结构的复杂性，以往的多数研究中，都是把通风沟内的冷却介质对电机温度场的影响转换为散热系数，作为边界条件加载于电机温度场的计算之中，且认为冷却介质温升及速度呈线性变化。再者由于电机定转子之间气隙内流体复杂的流动情况，多是把电机转子与定子部分的温度场分开进行计算，把定转子之间的热交换转化为散热系数加载，且很多是以一个径向风沟作为研究对象，这造成了一定的误差。

本文通过Fluent对某型船用发电机定、转子的流场与温度场进行了耦合数值分析，避免使用经验公式把冷却介质对温度场的影响转化为散热系数进行加载，并且同时对电机定子、转子以及流场流道建立模型，气隙作为流道的一部分，分别与电机定子、转子部分发生对流换热，准确地得到电机通风沟内流体的流动状态与温度分布、电机固体部件的温度分布，并进行了分析。

1 物理模型的建立

本文以船用某型发电机作为研究对象，选取整个电机的定子铁心、转子铁心、定子绕组、转子绕组、内部流道、转轴为计算区域，采用三维设计软件ProEngineer5.0按照电机的实际尺寸进行几何建模，其结构基本尺寸如表1所示。

表1 电机的基本尺寸（单位：mm)

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由于船用发电机结构的复杂紧凑，在不考虑其端部效应的情况下，为建立合理的模型，对其做出如下适当的简化：

（1）发电机定子铁心段与转子铁心段均是由一片片的硅钢片叠压而成，由于其相互接触紧密，故建立物理模型时把一片片的硅钢片组成的铁心段作为整体来考虑。

（2）嵌于定子铁心与转子铁心槽内由多匝线圈组成的定子绕组与转子绕组，等效为长方体结构，每个槽内的绕组均作为整体来考虑。

（3）忽略转轴与转子铁心之间的键槽结构。键槽结构的安装主要为了转轴与转子铁心之间连接固定紧密，且相对于转轴及转子铁心的结构比较小，对分析影响不大，故简化处理。

（4）定子铁心与定子绕组之间、转子铁心与转子绕组之间连接紧密。

根据上述简化，得到船用发电机整体模型图，如图1所示。从图1可以看出，该型发电机在结构上有着高度的对称性，且各个物理场具有周期性分布，转子12个轴向风道，为了提高计算效率和精度，选择周向十二分之一模型(如图2)进行分析。由于模型的复杂性，为了保证计算的可行性，在保证计算准确的前提下对流场与温度场做出如下假设：

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图1 发电机整体模型图

（1）流场区域

a)本文分析主要面对定子与转子，故流场的计算区域选择进口为定子径向通风道，经过气隙，进入转子径向通风道，最终汇聚于出口转子轴向通风道，建立流场区域模型。

b)考虑到发电机空气入口的对称性，假设冷却空气进入各个入口的风量相同且垂直于壁面进入通风道。

c)假定转子是静止的，只考虑电机稳定工况运行时情况。

d)对于空气的物性参数，因其变化很小，对结果产生影响有限，故忽略不计。

（2）温度场区域

a)定子铁心中的线圈与转子铁心中的线圈均为发热热源，简化为长方体，忽略其外面的绝缘物质。

b)对于铁心与绕组中的热载荷，按照平均值加载。

c)发电机各部件之间紧密相连，接触良好，不存在接触热阻。

d)计算区域主要包括定子铁心、定子绕组、转子铁心及转轴、转子绕组等。

根据以上的条件及假设，建立本文船用发电机流固热耦合数值分析的模型图，如图2所示。

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图2 发电机流固热耦合分析模型图

2 网格剖分

本例中由于船用发电机本身的结构复杂性，即使选择了十二分之一作为研究对象，依然有48个体，有些体的结构并不十分对称，而且某些局部区域尺寸很小，因此采用结构化六面体网格进行剖分。由于计算区域包括流场区域与固体区域，选择分区划分方式，对流场区域与固体区域分别划分网格后，合并成整体模型网格剖分图，共剖分893111个体网格。剖分图如图3、图4、图5、图6所示。

3 计算模型及边界条件的确定

3.1 计算模型的确定

该型船用发电机内部流道采用的是强迫通风冷却的方式，流体的粘性对流动影响较大，故不可忽略流体的粘性；根据马赫数定义，该型船用发电机流道中的流体流速远远小于当地声速，马赫数很小，故认为发电机流道中的流体流动是不可压缩的；根据雷诺数定义，由参考文献中得到该型船用发电机流道中流体的雷诺数远远大于2300,故认为冷却风道中的流动为紊流流动，故采用紊流模型对内部流场进行求解，本例中选择RNGk-e紊流模型;由于研究的是船用发电机流固热耦合数值分析，需要考虑对象之间的热量交换问题，相互之间不仅发生着热传导现象，也发生着对流换热现象，故计算时需要选择能量方程进行耦合场的求解。

综上所述，我们得到船用发电机流固热耦合数值分析的基本计算模型，流体为有粘性、不可压缩、紊流流动，考虑RNGk-e紊流模型与传热模型。

3.2 边界条件的确定

本例进行的船用发电机流固热耦合分析共考虑以下几种边界条件：空气速度入口边界、压力出口边界、壁面边界条件、耦合面边界条件、内部热源等，其中内部热源以生热率方式加载。具体如下：

(1)速度入口边界条件

空气入口的边界定义为速度入口边界条件：

空气入口速度经计算得:V=6.87m/s;

入口空气的温度：T=273K+45=318K(45°C为空气入口温度）

(2)压力出口边界条件

流场的出口定义为压力出口边界条件，由于出口处有风扇的抽吸作用，给定工作点压力，出口相对压力为900Pa。

(3)耦合面边界条件

在求解区域内所有多个面是两个体所共有的，这样的壁面均定义为耦合面，它们是固体与固体交界面、流体与固体交界面，其中固-固是导热交界面，流-固是对流换热交界面，在求解域的耦合面上，发生着各个物理场之间的相互传递。

(4)单边壁面边界条件

求解域中还包括多个只被一个体所拥有的面，我们称为单边壁面，它们是:一是电机径向两切面，采用绝热边界条件，不进行导热及对流换热过程，其热流量为零；二是电机与空气接触的表面，这个表面与空气进行了对流换热过程，需要定义换热系数。由参考文献计算得:转子两端面换热系数116.18W/(m2*k)，定子外表面及两端面散热系数10WAm2.k)。

(5)内部热源

本例中的内部热源主要考虑定子绕组、定子铁心、转子绕组等。由参考文献计算公式分别得到以生热率加载的内部热源载荷，足子绕组生热率为886469.975W/m3,定子铁心生热率为33664.225W/m3，转子绕组生热率为197605.218W/m3。

4 模拟结果及分析

通过FLUENT计算工具进行船用发电机流固热耦合数值模拟分析，采用SIMPLEC算法作为求解器，得到以下分析结果。速度矢量图显示流场通道内空气的流动状态，如图7所示，其分布符合过流面积越小其流速越大，且在流道出口端速度最大的规律。压力云图显示流道内部随着空气的流动压力的变化情况，如图8所示，从入口端到出口端压力是逐渐减小的，符合沿着空气行程，其流速逐渐增大，压力逐渐减小的规律，且在出口端压力达到最低。图9显示了发电机定子铁心、定子绕组、转子绕组、转子铁心及转轴、内部流道内流体的温度整体分布情况，可以看到定子绕组的温度最高且定子温度明显高于转子。图10与图11分别显示了定子铁心与转子铁心的温度分布。图12则显示了发电机内部通道内空气的温度分布情况，可以看到空气流过电机固体表面，与固体发生对流换热，温度呈逐渐升高的趋势，且由于气隙两端封闭，空气流动受阻，造成气隙中空气温度较高。从以上图中分布结果，我们可以得知，温度最高点分布在定子绕组及定子铁心靠近定转子之间的气隙一侧，且沿着空气的行程，其速度逐渐升高，压力逐渐降低，温度逐渐升高。