一種求解大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝表面散熱系數(shù)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體說是一種求解大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝表面散熱系 數(shù)的方法。所述定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝指定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝。
【背景技術(shù)】
[0002] 在具有軸徑向通風(fēng)系統(tǒng)的大中型電機(jī)中，定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝風(fēng)速和表面散熱系數(shù) 對電機(jī)的定轉(zhuǎn)子的溫升影響較大，而定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝（簡稱為通風(fēng)溝）的氣流和傳熱是 在非常復(fù)雜的情況下進(jìn)行的。
[0003] 由于通風(fēng)溝表面粗糙、入口較陡、彎曲截面非常短且有突變，再加上旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子通 風(fēng)溝所產(chǎn)生的離心力和科里奧力，故從轉(zhuǎn)子流入定子的空氣氣流是沒有規(guī)律的，在通風(fēng)溝 內(nèi)構(gòu)成復(fù)雜的熱交換邊界條件。
[0004] 正是由于通風(fēng)溝內(nèi)空氣流動(dòng)狀態(tài)的復(fù)雜性，目前，大型電機(jī)的定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝表面 散熱系數(shù)的計(jì)算仍然由經(jīng)驗(yàn)公式給出，如何準(zhǔn)確確定定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝表面散熱系數(shù)成為準(zhǔn)確 計(jì)算鐵心溫升的一大關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明的目的在于提供一種求解大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子通 風(fēng)溝表面散熱系數(shù)的方法，實(shí)現(xiàn)精確確定定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝表面散熱系數(shù)，從而準(zhǔn)確計(jì)算鐵心 溫升。
[0006] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0007] -種求解大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝表面散熱系數(shù)的方法，其特征在于，包括如下步 驟：
[0008] (1)根據(jù)大型電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)、尺寸、額定數(shù)據(jù)等已知參數(shù)，建立該大型電機(jī)的二 維瞬態(tài)電磁場求解模型，對整個(gè)二維瞬態(tài)電磁場求解模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算出大型電機(jī) 定轉(zhuǎn)子各部件的基本損耗；
[0009] (2)根據(jù)《電工專業(yè)指導(dǎo)性技術(shù)文件（汽輪發(fā)電機(jī)電磁計(jì)算公式）》的解析方法與 瞬態(tài)電磁場相結(jié)合的方法計(jì)算出大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子各部件的諧波損耗；
[0010] (3)根據(jù)大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子的直線段部分的實(shí)際尺寸，建立該大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子直線 段部分的三維穩(wěn)態(tài)溫度場求解模型；
[0011] (4)根據(jù)流體相似理論及牛頓放熱定律，采用解析方法計(jì)算出大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子徑 向通風(fēng)溝表面散熱系數(shù)，并將該表面散熱系數(shù)作為大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子直線段部分的三維穩(wěn)態(tài) 溫度場求解模型的初始值，即通風(fēng)溝初始表面散熱系數(shù)；
[0012] (5)在步驟（1)、（2)計(jì)算出大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子各部件的基本損耗和諧波損耗、步驟 (4)計(jì)算出通風(fēng)溝初始表面散熱系數(shù)的基礎(chǔ)上，對步驟（3)中建立的大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子直線 段部分的三維穩(wěn)態(tài)溫度場求解模型進(jìn)行迭代計(jì)算，得到最終的定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝表面散熱 系數(shù)。
[0013] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟（1)中，二維瞬態(tài)電磁場求解模型包括：定子鐵心 1，定子線圈2,定子槽楔3,氣隙4,轉(zhuǎn)子槽楔5,勵(lì)磁繞組6,副槽7,轉(zhuǎn)子鐵心8,阻尼繞組9 以及包含計(jì)算模型的空氣域。
[0014] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟（1)中，二維瞬態(tài)電磁場求解模型如下：
[0016] 式中：σ為電導(dǎo)率（S/m) ; μ為磁導(dǎo)率（H/m) ;t為時(shí)間（s) ;JZ為電密的軸向分量； Az為矢量磁位（Wb/m)，只有z軸分量。
[0017] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟（1)中，計(jì)算出大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子各部件的基本損 耗具體包括至少以下三項(xiàng)：
[0018] 三相定子繞組中基本銅損，
[0019] 轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈損耗，
[0020] 電機(jī)內(nèi)定轉(zhuǎn)子鐵心的基本鐵損。
[0021] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟（2)中，計(jì)算出大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子各部件的諧波損 耗具體包括至少以下五項(xiàng)：
[0022] 轉(zhuǎn)子磁場高次諧波在定子表面產(chǎn)生的損耗，
[0023] 轉(zhuǎn)子齒諧波在定子表面產(chǎn)生的損耗，
[0024] 轉(zhuǎn)子齒諧波在定子齒中產(chǎn)生的脈動(dòng)損耗，
[0025] 定子磁場高次諧波在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的損耗，
[0026] 定子齒諧波在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的損耗。
[0027] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟（3)中，大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子直線段部分的三維穩(wěn)態(tài) 溫度場求解模型分為定子部分求解模型和轉(zhuǎn)子部分求解模型，包括：定子鐵心1，定子線圈 2,定子槽楔3,氣隙4,轉(zhuǎn)子槽楔5,勵(lì)磁繞組6,副槽7,轉(zhuǎn)子鐵心8,阻尼繞組9,定子徑向通 風(fēng)溝10,轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝11。
[0028] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟（3)中，大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子直線段部分的三維穩(wěn)態(tài) 溫度場求解模型如下：
[0030] 式中，T為物體的溫度；λ χ、λ y、λ z分別為x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù)；q為熱源的發(fā) 熱密度；α為S2表面散熱系數(shù)；S i、S2分別為發(fā)熱體的邊界面，T f為環(huán)境溫度，T S i面上 給定溫度。
[0031] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟（4)的具體步驟為：
[0032] 步驟4. 1，根據(jù)流體相似理論，得到流體呈紊流狀態(tài)下徑向通風(fēng)溝內(nèi)流體滿足的相 似準(zhǔn)則方程：
[0034] 式中，Re為流體的雷諾系數(shù)；υ為徑向通風(fēng)溝內(nèi)流體的流速（m/s) ;v為流體的 粘度系數(shù)（s/m2) ;d為徑向通風(fēng)溝等效直徑（m) ;Nu為努謝爾數(shù)；λ為流體的導(dǎo)熱系數(shù)（W/ (m · K))，α為表面散熱系數(shù)（WAm2 · K));
[0035] 步驟4. 2,當(dāng)流體在徑向通風(fēng)溝內(nèi)呈紊流運(yùn)動(dòng)時(shí)，努謝爾數(shù)相似準(zhǔn)則方程與其他相 似準(zhǔn)則方程之間具有如下形式：
[0037] 式中，Pr (CP)為通風(fēng)溝內(nèi)流體平均溫度所對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；Pr (CT)為通風(fēng)溝內(nèi)壁 面溫度所對應(yīng)的普朗特?cái)?shù)；ε為修正系數(shù)；
[0038] 步驟4. 3,將式（3)、（4)聯(lián)立，得到徑向通風(fēng)溝內(nèi)流體在紊流狀態(tài)下的初始表面散 熱系數(shù)：
[0040] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，步驟（5)的具體步驟為：
[0041] 步驟5. 1，根據(jù)步驟⑷得到的通風(fēng)溝初始表面散熱系數(shù)，獲取定轉(zhuǎn)子鐵心溫度；
[0042] 步驟5. 2,確定大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝表面散熱系數(shù)及定轉(zhuǎn)子鐵心溫度的收 斂條件；
[0043] 確定大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子徑向通風(fēng)溝表面散熱系數(shù)的具體步驟如下：
[0044] 由通風(fēng)溝初始表面散熱系數(shù)與定轉(zhuǎn)子鐵心溫度之間的非線性關(guān)系，根據(jù)牛頓放熱 定律，當(dāng)物體表面與周圍存在溫度差時(shí)，單位時(shí)間從單位面積散失的熱量與溫度差成正比， 得到計(jì)算定轉(zhuǎn)子鐵心溫度計(jì)算公式：
[0046] 由于散熱系數(shù)與電機(jī)鐵心溫度之間的非線性關(guān)系，因此對通風(fēng)溝表面的散熱系 數(shù)，可得：
[0048] 式中，T1為定轉(zhuǎn)子靠近邊界面外側(cè)表面溫度值；T2為定轉(zhuǎn)子內(nèi)側(cè)的溫度值；T f為環(huán) 境溫度值，單位為（K) ;&為定子靠近邊界面外側(cè)表面節(jié)點(diǎn)橫坐標(biāo)值；X2為定子內(nèi)表面節(jié)點(diǎn) 橫坐標(biāo)值；a ' i為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的散熱系數(shù)近似值；α ' 1+1為第i_l個(gè)節(jié)點(diǎn)的散熱系數(shù)近 似值；α ' 1+1為第i+Ι個(gè)節(jié)點(diǎn)的散熱系數(shù)近似值；a i為第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的散熱系數(shù)修正值；β 為松弛因子；
[0049] 確定定轉(zhuǎn)子鐵心溫度的收斂條件的具體步驟如下：
[0050] 所述通風(fēng)溝表面散熱系數(shù)及定轉(zhuǎn)子鐵心溫度的收斂條件為：
[0053] 式中：TS為鐵心的實(shí)測溫度值；T w為對應(yīng)此處鐵心的計(jì)算溫度值；a i為第i個(gè)節(jié) 點(diǎn)的散熱系數(shù)；α 1+1為第i+Ι個(gè)節(jié)點(diǎn)的散熱系數(shù)；ε :和ε 2分別為滿足迭代要求的殘差；
[0054] 當(dāng)?shù)Y(jié)果同時(shí)滿足收斂條件（8)和（9)時(shí)，停止迭代，此時(shí)，根據(jù)式（7)計(jì)算的 到的通風(fēng)溝表面散熱系數(shù)即為大型電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)通風(fēng)溝表面散熱系數(shù)。
[0055] 本發(fā)明所述的求解大型電機(jī)定轉(zhuǎn)子通風(fēng)溝表面散熱系數(shù)的方法，與傳統(tǒng)方法相比 具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0056]