大型发电机定子温度场仿真计算

大型发电机定子温度场仿真计算

褚葓坤 马海涛 吴潇峰 杨长青 何鑫

哈尔滨理工大学荣成学院 山东省威海市 264300

摘 要：在大型发电机定子的绝缘结构中，定子的绝缘材料常采用对场强依赖性很强的非线性绝缘介质，而电场与温度场作为一对因果场量，对其计算求解相当复杂，在此之前的研究，常常只是对电场或温度单一物理场进行分析。为了更好地了解大型发电机定子温度场的分布情况，本文利用Comsol Multiphysics多物理场仿真软件对大型发电机定子和铁芯进行三维模型的建立，并对温度场和电场进行耦合计算，绘制相应的温度场图。

关键词：定子；耦合分析；有限元方法； 中图分类号：TM301.3 文献标识码：A 文章编号：

0 引 ^ 言

随着电机制造业的飞速发展，大型发电机的容量不断提高，电机内的热损耗也随之增加，这些损耗大部分最终会变成热量，温度的升高渐渐制约着发电机向更大容量和更高效率的发展。对电机定子的温度场分析计算成为电机设计中重要的问题之一。在对定子温度场分布情况的研究中，由于电场和温度场相互作用,这意味着必须电场和传热同时求解。在以往研究中，由于同时求解相对复杂，迫于繁冗的计算量，人们往往只研究单一物理场，忽略了电场对温度场的影响或温度场对电场的影响。而COMSOL Multiphysics作为一款大型数值仿真软件，具有高效的计算能力和便捷的多物理场直接耦合分析能力，用户只需选择或定义不同专业的偏微分方程进行任意组合便可轻松实现多物理场的直接耦合分析。本文在COMSOL Multiphysics软件中建立半轴向长度的定子和铁芯的三维模型，并对其进行温度场和电场的耦合计算。

1. 电-热耦合分析的基本原理

1. 温度场计算的基本原理

各向异性的介质在有内部热源时的热传导方程为

（1）

其中在直角坐标系下，该方程可以写成

（2）

边界条件:

1. 第一类边界条件

（3）

给定边界上的温度，其中 是关于边界的温度函数。

2. 第二类边界条件

（4）

给定边界上的热流输入，其中 是边界温度函数， 是边界外法线方向。

3. 第三类边界条件

（5）

规定了边界上的物体与周围流体间的表面传热系数和温度，其中 为周围介质的温度。

1.2 电场计算的基本原理

在电导率为非线性的材料中，根据麦克斯韦方程组中连续电流出发

（6）

其中 是电荷密度， 为传导电流密度， 、 和 分别满足以下方程

（7）

（8）

（9）

联立 得到电位的非线性方程

（10）

1.3 热-电耦合计算的基本原理

通过各个有限元的电场分布和电导率来计算单个周期内单位体积的平均功率

（11）

为传导电流密度,可得

（12）

通过计算每个有限元的单位体积平均功率后，将其作为热源进行温度场的计算，循环往复，最终计算出温度的分布^[2]。

2. 定子耦合场的仿真计算

2. 1. 基本数据

额定功率400MW；功率因数0.9；额定电压18kV；额定转速125 r∙min^(-1)；定子铁心长度2980mm；定子铁心外径12800mm；定子铁心内直径11740mm；定子的槽数369；

2. 2. 散热系数^[3]

定子通风沟内

（13）

其中 为总风量； 为定子铁芯外径； 为轭高； 为风沟数； 为单个风沟高；

风速

（14）

定子轭外表面

气隙

（15）

气隙处的切向线速度

（16）

为定子铁芯内直径； 为额定转速；

铁芯端部表面

（17）

（18）

定子端部表面

迎风面

（19）

背风面

（20）

2. 3. 边界条件

铁芯和线棒中心面为绝缘面，无热交换；冷风温度取35 ；气隙表面空气温度取55 ；铁芯轭背部表面空气温度取62.63 ；

本文求解其定子及铁心三维温度场分布，所建立的模型如图1所示

图 1 定子模型及网格划分

由于定子线棒在结构上的对称性，为了减少计算量和计算时间，求解所建立的模型的轴向长度的一半，并做以下假设^[1]：

（1）假设涡流效应对每根股线的影响相同，定子绕组的铜损取其平均值；

（2）因结构对称，认为铁芯和定子中心面为绝缘面；

（3）认为定子和铁芯内部已经达到动态平衡的稳定状态。

2. 4. 计算步骤

利用COMSOL Multiphysics有限元分析过程主要有以下几个步骤：分析问题、确定PDE方程及相关参数、选择模型方程、创建或导入几何模型、设定材料属性及PDE系数项、设定边界条件、生成网格、求解（设定Solver参数）、后处理，结果可视化，动画，输出^[4]。

2. 5. COMSOL Multiphysics仿真

根据以上条件，定子温度场分布如图所示。

图 2 定子表面温度场分布

图 3 定子等温面的分布

2. 结语

本文在利用COMSOL Multiphysics多物理场数值分析软件的基础上，将温度场和电场耦合起来，得到大型发电机定子的三维温度场的分布情况。以定子线棒、铁芯在内的半轴向长度为计算域，通过仿真结果可知，定子铁芯的最热部分集中在中心断面的内侧线棒的槽底。由这种方法得到的定子和铁芯的温度分布情况比较直观，与传统忽略定子电场而分析温度场相比，进行耦合计算结果更加精确，便于工程人员对类似定子结构温度分布情况的了解，对设计人员提供了一定的参考。

[参 考 文 献]

[1]姚若萍,饶芳权.蒸发冷却水轮发电机定子温度场研究[J].中国电机工程学报,2003(06):87-90+101.

[2]王洪波. 非线性防电晕结构的电—热场耦合仿真分析[D].哈尔滨理工大学,2010.

[3]魏永田等编著.电机内热交换[M].北京：机械工业出版社.1998.

[4]孙培德，杨东全，陈奕柏著.多物理场耦合模型及数值模拟导论[M].北京：中国科学技术出版社.2007.

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