摘要：提出了針對汽車爪極發(fā)電機三維定子溫度場有限兀計算的新方法，有效處理r汽車爪極發(fā)電機定子鐵心與氣隙之間以及定子繞組端部與空氣之間復(fù)雜的對流散熱過程，妥善解決了汽車爪極發(fā)電機定子的熱交換問題。
運用等效體積法給出了散下線定子繞組的三維有限元計算模型，簡化了計算難度并目節(jié)省了計算時間。在此基礎(chǔ)上建立了汽車爪極發(fā)電機定子三維溫度場三維數(shù)學(xué)模型和三維有限元計算模型：計算了汽車爪極發(fā)電機額定負載運行時定子的穩(wěn)態(tài)溫度場；實驗結(jié)果很好地驗證了該三維溫度場計算模型的正確性和計算結(jié)果的準確降。在該三維溫度場計算模型的基礎(chǔ)上，分析了冷卻風速及浸漆質(zhì)量對汽車爪極發(fā)電機定子溫度場的影啊，為汽車爪極發(fā)電機優(yōu)化設(shè)計奠定了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞：爪極發(fā)電機；二維溫度場；有限元；計算模型
0引 言
伴隨著汽車爪極發(fā)電機容量和材料利用率的提高，現(xiàn)代汽車爪極發(fā)電機多采用較高的電磁負荷，從而使電機在運行過程中損耗增加，這些損耗最終絕大部分將變成熱量，從而導(dǎo)致電機各部分溫度升高，致使電機的使用壽命和工作性能變差。電機溫升逐漸成為制約電機往更大容量、更小體積、更高效率發(fā)展的主要障礙。
在電機的溫升計算中最主要的是計算定子繞組和鐵心的溫升。這些部件既是導(dǎo)熱介質(zhì)，又是發(fā)熱體，發(fā)熱與散熱過程極其復(fù)雜。由于電機不是一個均質(zhì)物體，各部分的溫升不能用簡單的平均溫升來代替，因此電機各部分溫升的計算成為電機設(shè)計人員關(guān)心的問題。于足，如何精確計算出電機的三維溫度場就成為關(guān)鍵所在：
傳統(tǒng)的電機溫度場計算主要采用簡化公式法、等效熱路法、等效熱網(wǎng)絡(luò)法等 ，無法準確得出電機內(nèi)部詳細的溫度****點位置及溫升分布情況，而****的電機溫度場計算方法主要有有限元法、有限差分法、有限體積法等，但迄今為止，運用這幾種方法對汽車爪極發(fā)電機溫度場方面的研究，國內(nèi)外發(fā)表的有關(guān)文章、著作還比較少，因此，對汽車爪極發(fā)電機三維溫度場的研究要求十分緊迫。
本文根據(jù)有限元方法，建立了汽車爪極發(fā)電機定子三維溫度場模型，并基于該溫度場模型，計算出了電機額定轉(zhuǎn)速下定子三維溫度場，分析了定子繞組和鐵心溫度****值及****值，通過與實驗結(jié)果的比較，驗證了該汽車爪極發(fā)電機定子三維溫度場模型的正確性及計算結(jié)果的準確性。并在此基礎(chǔ)上研究了不同冷卻風速及浸漆質(zhì)量對電機定子三維溫度場分布的影響，對指導(dǎo)爪極電機設(shè)計的理論及實踐具有重要意義。
1定子三維溫度場的理論計算
1．1計算模型和基本假設(shè)
本文中汽車爪極發(fā)電機采用雙離心風扇通風方式。在整個通風系統(tǒng)中，風路共分為三個回路：一路是從前端蓋進風，吹拂定子端部繞組后，沿徑向從機殼出風；一路是從后端蓋進風，吹拂定子繞組端部后，沿徑向從機殼出風；一路從前端蓋軸向進風，經(jīng)過定轉(zhuǎn)子問氣隙后，沿機殼后端部徑向出風(前端風扇葉片大，使前端風量和風壓大，有風從氣隙通過)，如圖1所示。
爪極發(fā)電機的定子結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，計算區(qū)域內(nèi)包括很多材質(zhì)：定子鐵心、銅導(dǎo)線、槽楔、導(dǎo)線絕緣、漆膜、空氣隙等，而且其中定子鐵心的導(dǎo)熱系數(shù)呈各向異性，于是我們按等體積法對其進行簡化，其三維等效模型如圖2所示，并做如下假設(shè)：
(1)為了計算方便，取一個半齒作為計算區(qū)域，如圖3所示；(2)考慮其定子銅耗時，假設(shè)渦流效應(yīng)對每根導(dǎo)線的影響基本相同，即取其平均值；(3)考慮到氣隙的緣故，認為定轉(zhuǎn)子之間沒有熱交換；(4)認為各槽導(dǎo)線均勻排列。
(5)由于周向的對稱性，認為槽中心面s3與齒中心面s2都是絕熱面，即：式巾：{T}為求解域內(nèi)全部節(jié)點溫度所形成的溫度列陣；系數(shù)矩陣[K]為溫度剛度矩陣；{P}稱為總體右端列向量。
求解該方程組，即可求得各個節(jié)點的溫度值。
1.3求解域網(wǎng)格剖分
在計算求解區(qū)域內(nèi)的三維溫度場分布時，其計算結(jié)果的準確程度由網(wǎng)格數(shù)量直接決定。在有限元計算進行網(wǎng)格劃分時，經(jīng)多次試算，在溫度梯度較大處，網(wǎng)格應(yīng)密些。借助于有限元軟件，采用三棱柱單元對求解區(qū)域進行網(wǎng)格劃分，自動生成定子各部分單元和節(jié)點，定子繞組網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖4所示，定子鐵心網(wǎng)格剖分結(jié)果如圖5所示。
2表面散熱系數(shù)與損耗的確定
2．1表面散熱系數(shù)的確定
由于空氣在爪極發(fā)電機風路中是受迫流動，且風路很不規(guī)則，因此流動狀態(tài)大多數(shù)情況下是紊流。
流體在風道中流動狀態(tài)為紊流時(Ra>3×10。)，熱交換的標準等式可以描述：
式中：Ⅳ為努謝爾特準數(shù)；R為雷諾茲系數(shù)；d為通風道的等效直徑；R為散熱表面距旋轉(zhuǎn)中心的半徑。
而在紊流情況下，流體運動相似性準則可表達如下：
由于爪極發(fā)電機風路很短，在大多數(shù)情況下，可以認為在每個風路中冷卻空氣的溫度變化不大，因此上式中的參數(shù)基本上=是常數(shù)，因而在實際計算中，在風路不變的情況下，可以認為表面散熱系數(shù)a只是冷卻空氣流速u的函數(shù)。
2.2損耗的確定本文選用的汽車爪極電機額定功率為1．1 kw，額定電壓為12 V，額定電流為36 A，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r／min。定子求解域內(nèi)，定子繞組為主要的發(fā)熱部件，此外定子還有鐵耗、附加損耗等，其各項損耗值如下：
2．2 1定子繞組的基本銅耗
汽車爪極發(fā)電機在額定工況下運行時，其相電2 2 3附加損耗爪極電機的附加損耗是由于定子繞組槽部和端：
部的漏磁場所引起的。漏磁在定子繞組銅線和鄰近的金屬結(jié)構(gòu)部件內(nèi)感生渦流。爪極電機中產(chǎn)生附加損耗的另·個原因是定轉(zhuǎn)子諧波磁勢。大多數(shù)情況下定轉(zhuǎn)子中的附加損耗總共為電機額定功率的1％～5％． ，3計算結(jié)果與實驗結(jié)果對比分析我們用上述方法對錦州漢拿電機廠JFzl722Al型汽車爪極發(fā)電機在額定工作環(huán)境下定子的溫度場進行了計算，得到了定子鐵心和定子繞組的三維溫度分布，如圖6和7所示。計算結(jié)果與實測值對照結(jié)果，如表l所示。從圖6可以看出，定子鐵心****溫度出現(xiàn)在定子齒的中部，為205 5。C；****溫度出現(xiàn)在定子鐵心的左右側(cè)迎風面(前后端蓋迎風面)，為167 O℃，并且定子鐵心的左側(cè)溫度低于右側(cè)，主要是南]==左側(cè)冷卻風速及風量大于右側(cè)所斂；由中心向兩側(cè)溫度梯度較大，主要是由于鐵心導(dǎo)熱系數(shù)各向異性，徑向?qū)嵯禂?shù)遠大于軸向所致。從圖7町以看出，繞組溫度****處在中部，嵌在定子槽中的部分，溫度為226 5。c，繞組左側(cè)外露部分的迎風面底部溫度****，為224 O℃；繞組****溫度與****溫度相差不大，為2 5℃，左右兩側(cè)端部的迎風面溫度相差也不大，約0．3℃，其主要原因是繞組的材料是銅，氣導(dǎo)熱系數(shù)很大，導(dǎo)熱性能好所致。
4不同冷卻風速和浸漆質(zhì)量對定子溫度場的影響
4．1冷卻風速對定子溫度場的影響
從圖8可以看出，冷卻風速對繞組的溫升影響很大，當“，從2 5 rn／s升高到10 r/s時，繞組****溫度降低了65℃。因此，改進風扇的設(shè)計，提高冷卻風速，可以大大提高發(fā)電機的性能。
4．2浸漆質(zhì)量對定子溫度場的影響
對散嵌式繞組來說，特別重要的是保證導(dǎo)線的整體浸漆，因為定子繞組浸漆質(zhì)量的優(yōu)劣(用浸漬系數(shù)☆表示：k=l表示浸漬漆完全填充，k=O表示沒有填充浸漬漆)直接關(guān)系到定子繞組與定子鐵心之間的導(dǎo)熱系數(shù)，進而影響整個定子的溫升。
從圖9可以看出，浸漬系數(shù)對爪極發(fā)電機定子溫升影響比較明顯，定子溫升隨著浸漬系數(shù)的增大而降低。
5結(jié)論
通過對爪極發(fā)電機在額定負載時的三維穩(wěn)態(tài)溫度場的計算并分析冷卻風速及浸漆質(zhì)量對電機溫度場的影響，得出以下結(jié)論：
(1)運用有限元方法計算爪極發(fā)電機定子三維溫度場，可以得出定子各個結(jié)點的溫度，便r采取針對性措施解決電機局部溫升過高的問題：
(2)運用等效體積法建立爪極發(fā)電機三維溫度場有限兒模型，其計算結(jié)果與測量值相吻合，為同類電機：維溫度場分析提供理論依據(jù)和計算方法。
(3)在影n自電機定子溫升的因素中，定子繞組浸漆質(zhì)量及冷卻風速對電機定子溫升影響顯著，可以通過提高繞組浸漆質(zhì)量或冷卻風速來降低電機定子繞組的溫度：
本文中實驗方案的制定和實驗數(shù)據(jù)的測量記錄工作是在萬得集團錦州漢拿電機有限公司研究院劉勇東、孫玲、鹿洪波、楊佳等工作人員的火力支持下完成的，在此向他們表示衷心的感謝。
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