空冷电机设计的新方法

李 芳

(哈尔滨电机厂有限责任公司，黑龙江哈尔滨150040)

0 引言

电机的发热与冷却是一种涉及到流体力学、传热学、网络理论、测试技术、电磁学、电机工程等多种学科领域的综合学科。

空冷电机通风系统设计在过去比较普遍地存在盲目性，常常在成品实验时才发现温升过高，即使改进也要付出很大代价，造成浪费。以前在真机上测量冷却风量、风压、绕组温升等与电机输出功率、转速等参数的关系，整理出来以后，再将其外推来预测新机型性能。由于时代的发展，用户要求尺寸减小、效率提高，就必须进一步提高冷却性能预测精度。随着电机容量增加，通风冷却难度就增加。因为电机内冷却介质的流场处于高紊流状态，旋涡流动十分复杂，并存在随机性，很难给出精确的边界条件。通风系统的计算，理论上可通过求解N-S 方程及流体连续性方程来确定冷却介质的三维流动情况。由于流动性非常复杂，许多流动现象和机理，至今仍不完全清楚，边界条件难以确定，无法精确求解此类流程。传统工程算法包括估算法、图解法或试探法、网络法等，通常采用风路图代替实际通风流道，辅以模拟实验，归并风路中各风阻来确定流量和风速，但难以适用于复杂的通风系统。图解法和试探法都要进行近似和简化，必然影响到求解精度。网络法在解决比较复杂的通风系统时有一定优越性，但数学模型复杂，编程计算困难，还要进行简化处理。

电机工业发展的最大特点是单机容量和尺寸的不断增加。容量的增加要求电流密度和磁通密度的增加，就受到材料性能的限制。电机功率与其有效长度的4 次方成正比，而电磁损耗却与该长度的3 次方成正比，电机越大，该损耗的增加变缓。所以电机发展的大型化能够获得更高的效率。电磁损耗转换为焦耳热量后，由通风冷却介质通过热交换带走。电磁损耗与被带走的热量之比，与电机有效长度成正比，当电机增大，长度增加后，损耗与带走的热量之比增大，这就要求加强通风冷却来进一步增大被带走的热量。

大型电机通风冷却的实验数据很难获得，只能综合应用缩小比例的相似模型进行实验，并用网络法和三维流体动态数值解析方法，来改善风量分布的均匀性，以便控制温度，避免温度过高而影响电机寿命。其主要技术难点是冷却效果和冷却均匀性，避免不均匀冷却导致结构部件热胀变形或温升超标。

1 风量的优化

大型凸极同步发电机的传统设计方法沿袭前苏模式，把“每极容量”作为衡量和选择冷却方式的指标。当该比值低于9 000kVA/极时，采用空冷;超过该比值时必须采用水冷。在与国外合作过程中，发现“每极容量”的界限不能全面反映电机内部热交换机理，其概念相对模糊。不管水冷、空冷，最根本的是要控制机组温度。

另一个传统旧观念认为通风冷却的“风量越大越好”，即使很小的机组也加有很多风扇，用来降温。然而这会导致通风损耗增大、主机效率降低、风量不均等缺点。强化通风冷却并不等于单方面追求增加风量，而是有效地改善风量分配，使温度分布均匀，达到限制最高温度、延长绝缘寿命和发电机寿命的目标。为了增加风量而增加风扇，不能达到预期效果。通过计算和电站实测证明，即使不采用风扇也可以达到冷却目的，而且效果更好。通风冷却结构设计不应片面追求大风量，而是合理的适当的总风量，风量分配和风速都要均匀。这种新的设计理念实现了由粗放转向更精细、更合理、更科学。

2 流态解析法

网络法是通风冷却计算的分析工具，它采用等效的风阻和风路;在进行热分析时，则采用等效热阻和热路方法，并通过网络将它们结合起来。风阻和传热系数可从比例相似模型中获得。通风计算及温度场分布，必须建立模拟计算网络，编制计算程序，给出总风量及风量分配，并进行三维温度场研究，直观地分析各点温度分布云图，以便优化结构设计。采用网络矩阵法计算可给出总风量、风量分配、通风损耗等参数。采用整体三维有限元结合的方法计算温度分布，并根据温度场计算结果调整通风系统结构尺寸。经过反复迭代，最终给出优化方案。采用三维热网络计算温度场时，热阻则采用有限元和热路方法计算。如果热网络的节点之间有绝缘材料，就不适用热路法(因其结果误差较大)，必须采用有限元法。

等效“风路法”是将直流电器回路中的基尔霍夫法则套用于通风冷却的风路方法，它是目前最广泛应用的方法，可以掌握风路内的流态，提高冷却性能的精度。然而该法是以真机或实验等经验数据为基础，其精度不能超出经验范围。要想进一步提高精度，只能采用流态解析法。流体动态数值解析法以描述质量守恒、动量守恒、能量守恒的基本方程为基础，能弥补单凭经验进行设计时的不足，是优化设计的有效工具，也是网络法的补充手段，同时也可独立作为一种工具来计算流体、传热、温度甚至通风损耗，它的解析精度较高。

3 表面散热

大型电机的损耗、热量，很少沿轴传出，绝大部分通过壁面与冷风以热交换方法传递给冷却器散出。这就要求准确计算表面散热系数。定子径向通风沟气流和传热是非常复杂的，旋转的转子通风沟槽，会对气流产生离心力和科里奥力。气流从转子流到定子是没有规律的，它在定子通风沟内构成复杂的热交换条件。要想准确地给出定子三维温度场的分布情况，就必须给出其表面散热系数的精确计算公式。温度场至关重要，由它可以计算应力场，决定各部件安全可靠性，它也是机组寿命考核的重要指标。温度场计算的准确性，取决于表面散热系数的准确性。电机发热与冷却技术中的关键因素就是散热系数。特别是定子本体、通风槽、定子端部各面、转子本体及端部的散热系数，尤为重要。以定子半齿、半槽、半轴向长度为计算区域，采用三维有限元法计算了定子整体温度场分布，进行了通风沟的风速和散热系数以及端部散热系数的测试，得到了实用曲线，并编入程序。

4 分离涡流动

最重要的设计原则是采取优良的通风冷却措施，控制电机各部温升、定子热变形和热老化。必须对电磁计算、结构、通风冷却系统及绝缘系统等进行整体协调设计和优化创新。然而在理论研究方面，国内通常只在“单段”铁心或线圈端部的局部上，进行有限元温度场计算，而缺少沿着半轴向进行的完整分析、研究、计算，不能反映电机真实温度场分布情况。新开发的计算程序解决了这些问题。它以通风槽的实际风速为基础，进行三维温度场计算。真机运行结果证明:计算值与实测值相符。

采用密闭双路无风扇端部回风冷却系统时，转子磁轭、磁极就是主要压力元件，无需设置风扇。由于轴向风量、温度的分布上下对称，所以只取半轴向区域即可。这种算法更能反映真实温度分布情况，而且计算精度很高。它以各部位风速为基础来计算散热系数，能真正反映通风系统形式对温升的影响，只需一次计算即可得到定子沿轴向、径向、周向真实的温度分布规律。根据实验和理论确定的约束条件下的核心技术:(1)应用网络法计算风速、风量、通风损耗;(2)采用流场计算、模型实验及多年经验来综合确定散热系数;(3)采用整体三维热网络计算温度分布;(4)采用三维温度场有限元方法计算局部温度;(5)根据温度场计算结果确定结构尺寸;(6)通过实验来最终确定散热系数

全空冷技术，除了定子以外，还包括转子。大型凸极同步电机转子通常采用成型散热线匝拉制铜排，其散热系数国外也只是估算。理论上，通过放热微分方程、导热微分方程、运动微分方程、连续性微分方程、初始条件、边界条件等可联立求解出散热系数，但由于对流换热过程的复杂性，往往难于求解出具体的函数式，即使是数值解也难以做到。转子励磁线圈截面为“七边型”散热结构，其形状、尺寸对表面散热系数影响很大。为得到准确的散热系数值，就要探讨通风系统内部的流动，尤其是分离涡流动机理。采用人工压缩性方法、隐式近似因子分解格式及代数湍流模型，对转子极间三维流场进行了数值模拟，给出了以分离涡流动为主的流场特性。通过拍摄的云图可直观地反映出散热匝的速度分布，并将它与实测值进行了对比。实验验证结果表明，该算法具有很高的精确性、实用性。

5 相似学理论

由于掌握了大型电机通风冷却设计的“相似推算法”，便实现了更加精确的逼近到位。按照相似学理论，采用缩小比例(1:5)相似模型进行模拟实验，对风量、通风损耗和温度进行测试分析，就可以达到上述目标，获得结构最优化设计。采用相似模型可以验证数学建模方法的正确性、通风设计的可行性、改进通风结构的合理性。相似模型设计的核心理论就是相似原理;应用的原则就是相似法则的放宽，保证模型与真机的通风特征和状态的相似。采用量纲分析方法可以确定相似准则，其目的就是找出各物理量组合成无量纲数的方法。模型实验的目的是近似地给出真机的物理规律。在转速为100 ～350r/min 各种工况下进行了测试，结果满足设计要求。通风损耗与空气密度有关，测试值与计算值都应考虑到海拔对空气密度的影响。相似模型的建模有两种风路结构，即封闭式和开启式。将数值解析法用于紊流时，需将模型进行离散，并划分为有限网格，形成封闭式模型，这就可以用于变化的几何结构，并使其优化。这种解析技术可将损耗、流场和温度等的计算紧密结合起来，实现共轭传热，不需要在热交换表面固定一个边界条件，而设定边界条件就要求给出表面温度及其热流量。

6 结语

采用上述通风冷却设计新技术的龙滩、三峡等发电站的700 MW 全空冷电机已经投运成功、并网发电。它们都实现了总风量适宜、风量分配合理、风速均匀、冷却效果良好的总体目标，而且机组运行稳定、振动、摆渡、温升等性能指标均达到规定标准。

“大型电机三维温度场计算程序”和基于相似学理论的“真机模型实验验证优化设计法”的开发、应用，以及世界最大全空冷电机的投运成功，填补了国内空白，打破了国外的高价垄断，具有突出的经济效益和社会效益。这种新技术应用于1 000MW 发电机项目上前景广阔。