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1、 上海交通大学学位论文 大型异步电机通风散热优化设计 The Optimization of Stators Structure of Large-Scale Induction Motor 硕士姓名：罗勇林 专 业：电机与电器 学 号： 1050319027 研究方向：电机控制 指导导师：赵继敏 副教授 上海交通大学电子信息学院 2007 年 12 月- I - 大型异步电机通风散热优化设计 摘要 随着大型电机制造技术的发展，大型 电机内部单位体积内发热量随之增加，这样对电机通风散热就提出了更高的要求。本 课题提出了一种基于计算流体动力学的大型异步电机内部通风散热分析计算方 法，该分析计算方

2、法与以往的研究电机通风散热的方法相比，其可以减少样机 试制、缩短研发周期、降低开发成本的目的。 本课题分析了大型异步电机内部热源的分布及其结构特点，分析了大型异步电机内部空气流场的特点，将异步电机模型 进行合理简化，然后利用流体动力学软件 Fluent 对五种不同的定子通 风沟结构方案进行比较，优选出一种风阻最小的结构方案；然后分析计算最优定子通风 沟结构方案整个电机的温度场以及空气流场。在异步电机模型简化时，利用电 机相似性原理将转子结构进行折算，首次利用Fluent软件的MRF模块分析转子的旋转对异步电机通风散热的影响，分析表明运用流体动力学分析技术对异步 电机内流场进行数值模拟是完全可以

3、实现的，其计算结果可作为电机通风散热结构设计的参考依据。 关键词： 大型异步电机，通风沟，风路，热路，数值计算，有限体积法， 温度场，流场 - II - The Optimization of Stators Structure of Large-Scale Induction Motor ABSTRACT With the development of the design of large-scale motor, the thermal density is becoming larger, so that it is much more important to improve the

4、 ventilation of inner motor. In this thesis a new kind of method to calculate motor inner ventilation is introduced. The new method can save designing cost and is easy to carry out than the old one which needs to build real motor model. In this thesis the source of heat in the large-scale induction

5、motor is analyzed, as well as the structure of the large-scale induction motor and the air flow field inside of the induction motor. Then give a simplified motor model which can be used to simulate the ventilation and heat transfer of the motor. CFD software, Fluent is used to simulate the ventilati

6、on and heat transfer of the motor, also the inner thermal field and flow field of the motor are given via Fluent. Five types of stator ventilation channel of induction motor are analyzed by Fluent respectively, then the best type of stator ventilation channel can be chosen comparing their ventilatio

7、n resistance. The induction motor which is the best one is analyzed by Fluent, so we get the thermal field and flow field inside of the induction motor. In the thesis the theory of similar geometry of motor and the MRF model of Fluent are used. At last CFD method is proved the proper and easy method

8、 to design the ventilation structure of large-scale - III - motor, and the analytic result can help us to choose the right ventilation structure of large-scale induction motor. KEY WORDS: large Induction Motor, Ventilation Channel, Ventilation Circuit, Thermal Circuit, Numerical Simulation, Finite V

9、olume Method, Thermal Field, Flow Field - IV - 目录 第一章 概述 1 1.1 概述 1 1.2 电机通风散热的必要性 1 1.3 课题研究的意义与所采用的研究方法 2 1.4 论文结构 3 第二章 异步电机通风散热基本问题 .4 2.1 异步电动机的通风型式 4 2.2 异步电机内部热源分析 4 2.3 异步电机的稳定温升 5 2.4 电机通风模型分析法 5 2.5 风路和热路分析法 6 2.6 本文研究的对象 8 2.6.1 电机基本参数 .8 2.6.2 电机各部分尺寸 .8 2.6.3 进风口及出风口的布置 .10 2.7 CFD 数值计算

10、思路分析 .11 第三章 流体力学及热力学基本原理及其在电机中的应用 .13 3.1 流体动力学控制方程 13 3.1.1 质量守恒方程 13 3.1.2 动量守恒方程 13 3.1.3 能量守恒方程 14 3.1.4 状态方程 14 3.1.5 守恒方程在异步电机 CFD 数值计算中的作用 14 3.2 异步电机通风散热的传热学基础 .14 3.2.1 热传导基本定律 .15 - V - 3.2.2 对流传热 .15 3.2.3 异步电机的 CFD 数值计算与风路和热路计算的区别 16 3.3 牛顿流体基本特性 .17 第四章 CFD 技术及 FLUENT 软件简介 19 4. 1 CFD

11、技术简介 19 4.1.1 CFD 技术现状 19 4.1.2 CFD 技术基本原理 19 4.1.3 CFD 研究方法简介 20 4.1.4 CFD 工作流程图 21 4.1.5 CFD 软件的结构 22 4.2 FLUEN 软件简介 23 4.2.1 FLUENT 软件的组成 .23 4.2.2 FLUENT 软件的物理模型及其应用领域 24 4.2.3 本文所用前置处理器 Gambit.25 4.2.4 FLUEN 下解决问题的步骤 .25 4.2.5 FLUENT 软件的各项功能简介 26 4.2.6 Fluent 化设计的优点 .31 第五章 定子通风沟结构分析 .32 5.1 模型

12、的简化 32 5.2 模型的建立 .33 5.3 FLUENT 中分析计算 34 5.3.1 设置求解器 34 5.3.2 设置粘性计算模型 34 5.3.3 定义材料属性 34 5.3.4 边界条件设置 35 5.3.6 计算结果及分析 36 第六章 定转子通风沟综合分析 .38 6.1 模型的简化 38 - VI - 6.2 模型的建立 .41 6.2 数值分析计算 .42 6.2.1 检查网格 .43 6.2.2 光顺网格 44 6.2.3 调整尺寸 44 6.2.4 设置求解器 44 6.2.5 设置物质属性 44 6.2.6 设置工作条件 44 6.2.7 设置边界条件 44 6.2

13、.8 设置求解器参数 45 6.2.9 设置残差监视器 45 6.2.10 求解器初始化。 46 6.2.11 迭代计算。 46 6.2.12 计算结果及分析 47 第七章 异步电机通风散热分析 .49 7.1 异步电机通风散热分析 .49 7.1.1 异步电机通风散热的特点 49 7.1.2 通风散热模型的简化 49 7.1.3 电机内部的风路 .51 7.2 GAMBIT 中建模 52 7.2.1 异步电机通风散热几何模型的建立 52 7.2.2 划分网格 55 7.2.3 边界条件的设置 57 7.3 FLUENT 分析计算 59 7.4 新方案比较 .71 第八章 展望与结论 .74

14、缩略语 75 参考文献 76 - VII - 致 谢 78 攻读学位期间发表的学术论文目录 .79 - 1 - 第一章 概述 1.1 概述 电机在国民经济发展中具有重要的作用，因为电动机几乎 是所有机械设备的动力元件，而且随着科学技术的发展，电机制造行业产品也在不断翻新。特别是电机的容量在不断增大，而且其结构也越来越紧凑。这给电机的设计制造带来了一定难度。 电机设计工作首先需要考虑两方面问题：一是技术指标； 二是经济指标。对于异步电动机而言，技术指标包括效率、功率因数、起动 力矩倍数、起动电流倍数、最大转矩倍数、温升。这六项指标的规定性能必须满足才是合格 产品；而经济指标也就是产品的销售价格，

15、设计工作的任务就是要保证产品技术性能指标的 前提下尽可能降低成本，以获得较大的经济效益。 电机设计为了满足技术经济指标，其设计工作采用一定的 步骤。通常有如下一些步骤：一、电磁设计；二、结构设计；三、施工设计 ；四、工、夹、模、量具的设计；五、工艺设计。而电磁设计和结构设计是电机设计的关键 和根本，因为经过这两个步骤的设计可以确保电机的技术标准得到满足，而且也兼顾到经济 指标。电机电磁设计按照电磁设计程序确定一个合理的电磁方案，经过这个阶段的设计将确 定定子铁心、转子铁心、定子绕组、转子绕组（导条）的有关材料、规格、几何尺寸，并且 还在这一阶段对电机在额定状态运行的稳定温升进行校核；而结构设计

16、主要是确定电机通风 冷却方式的具体结构，确定定、转子绕组的槽部及端部固定结构以及转子绕组（导条）的绝 缘结构等。只有保证电机内部通风冷却充分才能使电机在额定状态下稳定运行。因为在电机 设计过程中，电机的内部结构设计具有非常重要的意义。 1.2 电机通风散热的必要性 电机设计的基本规律说明，单机容量越大，功率因数往往 越高，因而其经济性能越好。但是单机容量增大，而电机体积增加并不是很 大，所以电机单位体积的发热量增加，这样只有提高电机冷却效率才能保证电机长期工作在允许的温升范围内。 - 2 - 小型电机并不需要额外采取措施进行通风散热。由于小型 电机额定功率比较小，其由损耗引起的热量不大，通常可

17、以通过自然通风等 方式进行散热；但是对于大中型电机来讲，其额定功率比较大，在电机内部因为损耗而引起 的热量会在电机内部引起相当高的温升，即使采取一定的散热措施。为了保证电机能长期运 行在设计要求的工作状态，必须采取强制冷却措施才能带走损耗引起的热量。虽然采取强制 措施需要在电机上增加额外的设备，并增加生产和运行成本，但是这样即能够提高电机的利用率，又能够保证电机按照设计要求正常运行，所以总的来说还是合算的。 采取的强制冷却措施会因为电机类型及结构不同而不同。 按照冷却的介质来分，电机冷却方式大致可以分为：空气冷却、氢冷却、液冷、液（水）-氢冷却、蒸发冷却等；而对于异步电机，主要采用空气通风冷却

18、为主，而对于容量大于10MW的异步电机也可以采用水冷或者部分水冷。这也说明对于大型异步电机来讲，通风散热是必须的。 1.3 课题研究的意义与所采用的研究方法 电机的通风散热具有重要的意义，但是研究电机通风散热 的方法在引入流体数值计算之前，通常都是采用电机通风模型的方法来进行 模拟测量，或者采用风路和热路相结合的办法来进行近似计算。采用电机通风模型的方法其 成本高，而且进行建模试验测量周期长，如果需要进行电机结构修改的话更耗时又耗钱；而 采用风路和热路相结合计算的办法，电机内部风阻和热导率等很多参数需要凭借经验进行设 定，这会引起误差，同时风路和热路计算节点数决定了计算的精度，节点数少精度差，

19、而节 点数多精度能稍微提高，但是计算量会增加。所以有必要采用灵活性高而且计算精度也很高 的方法，而随着计算机技术特别是数值计算技术的提高，为 CFD 方法在电机通风散热上的应用带来了可能。 本文采用 CFD 方法对电机内部风场和温度场进行分析计算， 优化电机定子和转子通风沟的结构，分析出电机内部温度场和流场，计算 出电机各部分在额定运行状态下的温升情况，这样非常直观和清楚。同时由于只需要改变电 机的三维模型，这不但节约了成本也节约了分析计算时间。所以说应用 CFD 方法对电机通风散热进行分析具有重大的意义，对于电机制造厂来说具有重大的经济效益。 - 3 - 1.4 论文结构 本文结构如下： 第

20、一章 概述 第二章 异步电机通风散热基本问题。主要分析异步电机通风散热型式，异步电机内部热源的分布，异步电机温升的概念，以及人们常 用的分析异步电机通风散热的方法和本文所研究对象的参数。 第三章 流体力学及热力学基本原理及其在电机中的应用。主要分析在异步电机内部涉及到的流体力学和热力学相关原理，分析异步电 机内部风场和流场的特点以及异步电机内部空气作为主要介质的介质特点。 第四章 CFD技术及FLUENT软件简介。主要介绍了CFD技术现状、原理及软件结构，也介绍Fluent软件。 第五章 定子通风沟结构分析。主要分析五种不同定子通风沟结构的风阻，比较其优劣，为异步电机通风散热分析打下基础。 第

21、六章 定转子通风沟综合分析。主要综合分析定转子结构不同方案的总的风阻，根据总的风阻得出风阻最小的定子通风沟结构方案。 第七章 异步电机通风散热分析。这是本文的重点，经过第五章和第六章的分析可以知道方案 2 是最优的方案，于是在本章建立异步电机三维模型分析计算其内部通风散热情况，得出电机内部温度场和速度流场。并且适当更改 定子和转子铁心结构得到新的方案，通过新方案的计算来检验Fluent软件能否真实反应结构对温度场和流场的影响。 第八章 展望与结论。肯定了 Fluent 软件在异步电机通风散热数值计算中的作用，并且提出在将来异步电机的设计制造计算机会越来越重要。 - 4 - 第二章 异步电机通风

22、散热基本问题 2.1 异步电动机的通风型式 绝大多数异步电机都是以空气为冷却介质的冷却系统4，这里将异步电机的冷却统称为异步电机的通风。 空气冷却有自冷、自扇冷、他扇冷、管道通风冷却、自由 循环通风、封闭循环通风和热管冷却等多种型式，其中以自扇冷式最为常用 。按电机内冷却空气流动的方向，空气冷却系统又可以分为径向、轴向和径向-轴向混合式三种。 轴向通风系统便于安装直径较大的风扇，以加大风压和风 量，也可以减少轴向长度，加工工时也较少；其主要缺点是沿轴向的冷却不均匀和不利于转子上部件的鼓风作用。 在径向通风系统中，通常是利用装在电机两端的两个风扇 的扇风作用，其外径与转子外径大体相同，冷却空气由

23、电机两端进入，经铁 心中部风道，沿径向由基座中部排出。这种系统的对称性好，电机内部温度比较均匀，在中型以上电机中获得较为广泛的应用。 混合式通风主要用于8极以上的较低速电机。 异步电机冷却技术的关键在于通风元件（风扇、冷却器） 及派生结构的设计，大型异步电机也逐步向封闭式空-空冷却器和空-水冷却器方向发展。 2.2 异步电机内部热源分析异步电机的各种损耗是异步电机发热的内在因素，所以要 分析计算异步电机内部的通风散热情况，首先必须了解异步电机内部的发热 情况，即各种损耗的数值大小以及分布情况。异步电机的损耗可以分为以下几大类2 4： （1） 铁损耗，分为基本铁损耗和附加损耗。对于异步电机来说，

24、只考虑定子铁心中的基本铁损耗，即主磁通交变引起的磁滞和涡流损耗。 （2） 铜损耗，分为定子铜损耗和转子铜（铝）损耗，为绕组导线中的铜损耗（常称为基本铜损耗）和槽内横向漏磁通使导线截面上电流分布不均匀所增加的附加铜损耗。 - 5 - （3） 杂散损耗8，异步电机的杂散损耗是指电机中除了铁损耗、铜损耗和机械损耗以外的所有损耗，其分布在定子铁心和转子铁心处。 （4） 机械损耗，包括轴承损耗和通风损耗（包括风摩损耗） 。轴承损耗是电机端部处轴承由于摩擦而引起的损耗，其热量主要分布在电机的轴承和端盖部分。通风损耗是冷却空气在电机内部由于相对运动而摩擦产生，其损耗与电机内部各个面的光滑度以及电机内部冷却空

25、气的速度有关。 2.3 异步电机的稳定温升异步电机在运行时由于损耗产生的热量，在电机刚开始起 动时几乎全部导致异步电机本身温度的提高，温度上升得很快。随着异步电 机温度的升高，异步电机与周围介质之间的温差逐渐增大，异步电机向外散出的热量也逐步 增多。这样，能够提供异步电机温度的热量就减少，异步电机温度的升高也就逐渐缓慢下来 。最后，异步电机中产生的热量全部传给周围介质，异步电机的温度就不再升高，达到了热 稳定状态。这时异步电机每秒钟产生的热量刚好等于每秒钟向周围介质散出的热量。这个温度就叫做异步电机的稳定温度。 异步电机在额定负载下长期运行达到热稳定状态时， 异步电机各部件温升的允许极限值，我

26、们称为异步电机温升限度8。 异步电机的冷却决定了异步电机的散热能力，而散热能力 决定了异步电机的温升，温升又直接影响异步电机的寿命和出力，由此可见 冷却问题对电机具有重要意义。目前，异步电机中有效材料的利用率不断提高，因此提高其 散热能力、改善冷却系统成为异步电机设计制造中控制温升、增大出力和减轻重量、降低成本的重要手段。 解决异步电机的冷却问题首先应确定冷却介质、冷却方式 以及风路系统，也就是要确定用什么介质带走异步电机中所产生的热量，以及这些介质在异步电机内的流动方式。 异步电机冷却的根本任务是散发掉异步电机内部的损耗（热量） ，使异步电机各部温升维持在标准规定的范围之内，以保证异步电机有

27、效地运行。 2.4 电机通风模型分析法 研究电机通风系统必须变更各种具体结构和转速，这在真 机上来说是难以实现的，采用- 6 - 模型研究通风系统是一个有效的办法。采用空气通风模型的特点是： 1） 以空气为介质，可以忽略浮力影响； 2） 电机内流体Ma数（马赫数）不大，故可以不计流体的压缩性，即作为不可压缩流体运动来处理。 3） 只研究稳定状态，即定常流动。 4） 所以通风模型一般都是采用几何相似的办法，以满足动力相似（Eu和Re相等，如果Eu相等，则两个系统的压力和速度分布能彼此相似；如果Re相等，则说明两个系统的摩擦力处处相似） ，基于上述的特点，在建立通风模型时通常按照一定比例（1:5）

28、对实际电机缩小，而对于模型中因为尺寸太小而无法建立部分，这时需要采用集中单元的办法，即将风沟（隙）的数量减少到原来的1/5，而每一通风沟（隙）的宽度仍维持原来大小，则总的过流面积仍符合几何比例条件。这对研究电机基本风量并无明显影响，对于研究分布规律来讲则需要另行设计单件模型来模拟。 5） 而为了维持与实物相同的摩擦阻力，模型通风沟表面的光洁度应尽可能与实物相同。 6） 但是也必须说明的是，电机通风模型跟真机还是存在比较大的差别： A. 为了保持Re数相等，那么电机通风模型（1:5）必须转子转速为真机的25倍，这通常是难以做到的（由于模型受到机械强度限制） ，所以一般采用5倍于真机的转速，这样R

29、e就会变为真机的1/5，尽管这样电机通风模型气隙中气流也处于湍流状态。 B. 模拟流动相似尚难以完全实现，而热相似就更加难以实现了； 2.5 风路和热路分析法 对于电机通风系统还可以采用风路（流体网格）的办法进行计算，而对于电机散热系统可以在计算电机风路的基础上采用热路的办法进行分析。采用风路和热路相结合的办法可以分析电机内部各个计算节点的温度情况。 风路计算中有三个基本参数压力（H） 、风阻（Z)和流量（Q） ，与电路中的电压、电阻和电流相对应。但是风路系统又与电路系统 有所区别，主要是风路系统三个参数相互间关系可以表述为：压力和流量平方与风阻乘积正比（2*HZQ= ） ，而电路是一次线性关

30、系。风- 7 - 路中另外一个特点是，阻力并非严格地保持为 一常数，有若干阻力系数不仅取决于尺寸和几何形状，而且还取决于各支路中流量分配和流动形态，即阻力 Z 与流量 Q 之间存在一定的相依关系。对于电机内部的阻力，可以分为沿程阻力和局部阻力。沿程阻力系数 也与Q有一定关系。这样就给通风系统计算带来了新的复杂性。 电机通风计算最低的要求是要知道既定压力元件和阻力系 统中总的过流量，或反之，已知必需达到的过流量而需配备一个或几个压头 元件，这时我们可用简化的近似计算，不考虑阻力与流量分配的某些相依性，并把系统中阻 力集中成几个单件，并进行简单归并。但是对于多支路元件系统往往不可能进行简单的归并

31、，只能通过试探迭代法，而如果考虑局部阻力和沿程阻力与系统中流量和流量分配的相依性的话，进行迭代会显得相当麻烦。 热路分析计算中有温差（或者各节点处温度值） 、热阻、损耗功率，也可以与电路的电压、电阻、电流相对应。电机热路分析计算基于如下的假设： 1、 电机的温度分布沿圆周方向对称，即认为电机在圆周方向的冷却条件相同； 2、 电机内部两侧（端部）的空腔中，各点空气温度相同； 3、 电机附加损耗集中于定转子齿部， 各占50。 其他结构件基波附加损耗不予考虑； 4、 定转子槽部导体的集肤效应可以忽略不计。 5、 一般都习惯于将温度场简化为集中参数的热路进行计算。 （定子绕组、定子铁芯、和转子绕组、转

32、子导条都分别假定其温度在计算体积内是一样的，而且计算部件损耗集中在几何重心处） 。 6、 对于大型电机稳态发热温度场的计算，采用传统的热路方法计算温升，其准确性会很低。这需要采用等效热网络法来进行计算。 但是热路计算存在着很大的问题： 1、 热路计算，必须首先知道热阻值，而对于热阻值的计算，通常只是凭借经验，如果热阻计算不合理，那么多整个计算影响很大； 2、 将热源只看作集中于几何重心的热源，这与实际不符。因为定子和转子的发热，实际是在各体积内近似于均匀分布的。所以采用集中热源的话，这会造成热阻计算的误差。而采用热路的办法进行计算，通风损耗也必须作为一种热源来考虑。 热阻其实与风路计算中的风量

33、（风速）等参数有很强的耦 合关系。比如通风沟如果单位时间内流过的风量增加，那么风速加快，这时 铁心处的对流换热系数会增大，这时热阻就会- 8 - 减小。 2.6 本文研究的对象 2.6.1 电机基本参数 本文所研究的对象为10MW大型异步电动机，其采用连续工作制。该电机的基本参数为：相电压为3300V，相电流为1230A；额定功率为10000KW，额定转速n=200rpm。定子铁心总长为 1630mm，其中通风道为 288mm，定子线规为 22.2412.5，每个线圈 8 匝，定子绕组半匝长2473mm。定子槽数Q1180槽，转子槽数Q2217槽； 该异步电机各种损耗为：定子铜耗1cup 为

34、179.31KW，转子铜耗2cup 为 121.55KW，杂散损耗zp 为52.0KW，铁耗fep 为28.2KW，机械损耗mecp 为20.00KW，总的损耗totalp 为401.1KW。 该异步电机采用空气冷却方式进行冷却， 通风散热方式为强制两端进风的径向通风方式。 2.6.2 电机各部分尺寸 图2.1 总装配图 Fig.2.1 Assembled Drawing of Induction Motor - 9 - 图 2.2 定子铁心（端部） Fig.2.2 Drawing of Stator Core From one side 图2.3 定子铁心（轴向） Fig.2.3 Drawi

35、ng of Stator Core in the Axial Direction - 10 - 图2.4 转子铁心（轴向） Fig.2.4 Drawing of Rotor Core in the Axial Direction 2.6.3 进风口及出风口的布置 图2.5 冷却器布置图 Fig.2.5 Displacement of Cooling Equipments - 11 - 图2.6 进风口和出风口布置 Fig.2.6 Outline of Inlet & Outlet 从冷却器安装方式图可以看出，冷却器安装在电机的侧面 上方。共有四个冷却器，电机两端各两个，都是在侧面。进风口和出风

36、口布 置图则示出了在电机一侧电机所有进风口和出风口的布置，进风口所处的位置正好是冷却器 所在的位置，而出风口则处于居中的位置，与进风口相邻。 2.7 CFD 数值计算思路分析 由上的电机内部结构和通风型式可以看出，电机内部的结 构比较复杂但是具有一定的对称性。电机内部结构复杂主要是指电机内部的 风路结构非常复杂：转子导条数和定子绕组数不一致，这样流经转子通风沟空气将经过一个 比较复杂的过程进入定子通风沟；同样在定子和转子端部其气流也比较复杂。总的来说电机内部是高雷诺数的湍流流场。 但是从整体来看，电机的结构具有一定的对称性。对于定 子和转子部分，其具有周期性对称性的特点；而对于整个电机来讲，其

37、具有两端对称的特点。对称性特点将为 CFD 数值计算提高简化的基础。 本文的 CFD 数值计算实际上是利用 Fluent 软件将异步电机模型进行简化，然后将风路和热路用 Fluent 软件通过列守恒方程来实现迭代求解。其异步电机模型的简化完全可以利用电机通风模型所提到的假设作为理论基础，可以利用异步电机模型的相似原理来进行简化。 - 12 - 本文在对异步电机定子通风沟结构进行优化将需要按照如下的步骤来进行： 1、 考虑到异步电机两端对称以及电机定子和转子的周期性对称的特点，首先单独分析比较定子结构采用不同的方案时其内部风阻情况； 2、 结合异步电机转子的结构，考虑异步电机转子旋转对电机内部风

38、阻的影响来综合考虑异步电机定子结构。 3、 在上述分析比较出的较优的 方案的基础上分析异步电机 内部整个的通风散热情况，检测其是否能够满足异步电机通风散热的设计要求。 - 13 - 第三章 流体力学及热力学基本原理及其在电机中的应用 3.1 流体动力学控制方程 任何流体运动的规律都是以质量守恒定律、动量守恒定律 和能量守恒定律为基础的。这些基本定律如果采用数学方程组来描述就得到质量守恒方程、 动量守恒方程和能量守恒方程。 3.1.1 质量守恒方程 式（31）为质量守恒方程，又称连续方程： () ( ) ()0uvwtx y z+= （31） 是密度，t是时间，u、v、w是速度矢量在x、y、z方

39、向的分量。 对于不可压缩流体，密度为常数，因而有 0uvwxyz+=（32） 3.1.2 动量守恒方程 式（33）式（35）为动量守恒方程，又称动量方程： () ()( ) ()uuuuuvuwuuupStxyzxxyyzzx += + + + （33） () ()( ) ()vvvuvvvwvvvpStxyzxxyyzzy += + + + （34） ()()()()wwwuwvwwwwpSt x y z xxyyzzz += + + + （35） 是密度，u、v、w是速度矢量在x、y、z方向的分量，p是流体微元体上的压力，是动力粘度，uS、vS、wS是动量守恒方程的广义源项。 - 14 -

40、 3.1.3 能量守恒方程 式（36）为能量守恒方程： ( ) ( ) ( ) ( )TpppTuTvTwTkT kT kTStxy zxcxycyzcz + = + + + （36） pc是比热容，T为温度，k为流体的传热系数，TS为流体的内热源及由于粘性作用流体机械能转换为热能的部分，简称为粘性耗散项。 3.1.4 状态方程 式（37）为状态方程： (),p pT=（37） 3.1.5 守恒方程在异步电机 CFD 数值计算中的作用 以上提到的四组方程，是计算流体力学计算牛顿流体的基 本方程，也是异步电机的 CFD数值计算的基础。以上四组方程为连续的可微的方程，而利用Fluent软件进行数值

41、计算需要将连续方程进行离散。采用不同的离散格式进 行离散这涉及到求解器参数的设置。将离散的方程进行迭代计算需要设置边界条件，一般也 需要设置初始条件，为了能使迭代计算快速高效收敛，必须选择合适的欠松弛因子。 3.2 异步电机通风散热的传热学基础电机的定转子铁心及绕组既是发热体又是传热部件，同样 电机内其他各部件是传热体或者通路，这样电机内部的散热是一个复杂的过程7。 电机内部的传热通常有三种基本形式，即常见的三种传热 基本形式：热传导、对流换热及辐射换热。由于该电机采用强制通风散热的 方式，热传导和对流换热将是电机散热的最主要的因素，而辐射换热带走的热量所占比例非常少，所以只需要考虑热传导和对

42、流换热。 - 15 - 3.2.1 热传导基本定律 dTqdA n=（38） q为该微元处的热流密度，d为微元的热流量，dA为微元面积，为物体的导热系数 （热导率） ，Tn为该微元处的温度梯度。将q分解为笛卡尔坐标系的三个分量xq、yq、zq则有： xyzTqxTqyTqz= = （39） 由式（3.8）和式（3.9）可以看出，影响电 机内部热传导的因素就是电机内部的各导热体的热导率，还有热传导双方的接触面积以及温差。在采 用热路的办法进行分析时常常采用集中式网格法进行近似处理，也就是将电机 内部温度比较接近的物体看出一个节点，采用网格的办法将电机内部划分为很多个节点。这 样做可以使计算简单，

43、但是在一定程度上忽略了接触面积以及各节点内部的温差，这将会引起误差。而采用Fluent软件进行计算则不存在这样的问题，因为其采用有限体积法所划分的 网格可以非常小，这样在相邻网格点上的温度梯度已经非常小了。 3.2.2 对流传热 异步电机内部的通风冷却，对流传热起到非常关键的作用 。热传导是将定子和转子等发热体内部的热量传至其表面与冷却介质（ 空气）接触的表面上，然后通过定子和转子的表面与空气发生热交换将热量转移至冷空气， 最终由空气将热量带走。定子和转子的表面与空气的热交换就是对流传热。对流传热按照产 生流动的原因可分为受迫对流换热和自然对流换热。所研究的异步电机采用鼓风机强迫通风 散热方式

44、，所以主要是受迫对流换热。人们总是采用牛顿提出的所谓冷却定律来对对流换热进行计算。牛顿冷却定律表达式为： - 16 - ()qTwTf=（310） q为对流换热热流密度，为对流换热系数2/( )WmKi，wT为固体表面温度，fT为流体平均温度。影响对流换热强弱的 因素也就是影响对流换热系数值大小的因素，其因素有很多，概括起来有以下三方面： 流动速度。从理论分析和试验分析可知，流体的速度决定 其流动状态和边界层厚度。在相同换热温差的作用下，层流边界层厚度或层 流底层厚度的减小，都会使导热作用增加。另外，流速增加又会使流体内部相对运动加强， 从而使对流作用强烈，使对流换热加强，对流换热系数增大。

45、流体物理性质。流体物 理性质包括导热系数，动力粘度，比热容pc，密度，体膨胀系数，热扩散率a等。 换热表面形状、尺寸及放置情况也将影响对流换热的效果。 由上可知，对流换热系数受到诸多因素的影响，是如下各物性参数的函数： (, , , , , , , )pwffu c TT = null（311） 3.2.3 异步电机的 CFD 数值计算与风路和热路计算的区别 在采用风路和热路分析法中，将异步电机内部的流动和传 热过程分开来进行计算，而实际上异步电机内部的流动和传热是具有很强的 耦合特点的。在进行热路计算时除了必须知道电机内部各种材料的热导率外，还必须知道各个节点处的对流换热系数，只有这样才能知

46、道各个热路回路中的热阻。正如前面分析那 样，各个节点处的对流换热系数受到诸多因素的影响，其值需凭借经验公式求得，或者由 经验曲线来查得，但是这样所得到的数值会因计算者的经验不同而有所差别。但是 CFD 数值计算过程中却不需要知道对流换热系数，因为其是通过求解式（31）式（37）共七个方程来 求出电机内部各个网格点的所有属性（压力、 速度、 温度等） ， 同时采用CFD数值计算是直接流动和传热耦合过程进行分析计算的。 - 17 - 3.3 牛顿流体基本特性 异步电机内部的空气是牛顿流体，其内部的流场是高雷诺数的湍流流场。 粘性是流体的一种物理特性，反映了流体抵抗剪切变形的 能力。由牛顿内摩擦定律

47、可导出粘性应力与粘度系数及速度梯度的关系： dudn=（312） 式中，是粘度系数。 空气、水等分子结构简单的流体是粘性流体，同时满足( 312)式属于牛顿流体。 3OOK时，空气的粘度系数为1.846105Pas，而温度越高空气的粘度系数越大。 若流体的粘度很小，且流场中的速度梯度不大，可以将这 种流体流动近似认为是无粘性流动，相应流体为无粘性流体，也称为理想流体。 流体在外力作用下，其体积或密度可以改变的性质，称为 流体的可压缩性。在等温状态下，对单一组分的流体，其密度随压强而改变，密度的改变量为： Tddpdpp=（313） 式中，T是等温压缩系数，1Tp=可把(313)式写成： Tp（

48、314） 空气在运动中的压力变化常由速度变化决定，得： 2va（315） 式中，a =340m/s 为声速，v/a =0.3 是可压缩与不可压缩流动的分界。v/a 0.3，空气流动为可压缩流。 对于电机内通风模型而言，其内部流动的气流速度均小于11Om/s，所以在研究电机内通- 18 - 风散热时，假设气流是不可压缩流体，属于不可压缩模型，取其密度为常数。 - 19 - 第四章 CFD 技术及 FLUENT 软件简介 4. 1 CFD 技术简介 4.1.1 CFD 技术现状 计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，简称 CF D)作为流体力学的一个分支，出现于20世纪六、七十年代，是随着计算机技术、计算方法以及流体力学的发展而产生的。它通过计算机模拟来获得某种流体在特定条件 下的有关信息，是研究各种流动现象，设计、操作和研究各种流动系统和流动过程的有力工具，CFD 技术的优势在于，它可以针对过程传递及反应性能的特点，应用描述过程局部性能 的物理或化学、流体力学等方程组进行数值模拟，从而实现过程设计、优化、放大以及控制的精细描述。