大型双水内冷同步调相机的定子温度场流体场简化仿真方法与流程

本发明属于大型双水内冷同步调相机的定子温度场流体场仿真技术领域，具体涉及一种大型双水内冷同步调相机的定子温度场流体场简化仿真方法及系统。

背景技术：

随着计算机技术的飞速发展，使得有限元分析在工程上的应用越来越广阔，有限元分析具有概念清楚，适应能力强，易于表达，易于处理几何形状复杂的问题等优势，这使得有限元分析在对实际的工程问题进行求解的过程中，可以更加的贴近于实际情况，具有较高的准确度。但是，由于大型双水内冷同步调相机体积庞大、结构复杂，虽然可以建立其完整模型，但是使用有限元软件对完整模型的温度场、流体场仿真需要占用极大的计算机内存。因此，进行合理的模型简化对温度场、流体场问题的解决可以提供高效便利的解决方法。

电机的损耗不仅影响电机的效率，同时还影响电机的发热。现如今，电机制造技术己成熟，大幅度缩减损耗己成为目前面临的难题，因此研究电机损耗及其温度分布对电机结构优化的重要性不言而喻。

现有的解析方法存在的问题有：目前并不能探测到大型双水内冷同步调相机定子各点温度，不能掌握整个双水内冷同步调相机定子的温度场分布、不能掌握温度薄弱点的实际问题，以及目前测量方法精度不高的实际问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种大型双水内冷同步调相机的定子温度场流体场简化仿真方法，解决了大型同步调相机物理场仿真占用大量计算机内存的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种大型双水内冷同步调相机的定子温度场流体场简化仿真方法，其特征是，包括以下过程：

根据大型双水内冷同步调相机的实际结构，建立大型双水内冷同步调相机的定子的仿真模型；

将仿真模型中部分导热体简化为一个整体的导热体，得到简化仿真模型；

对简化仿真模型进行网格划分；

确定简化仿真模型中定子材料属性；

确定冷却风的风速和冷却水的流速，作为边界条件；

计算仿真所需的热载荷；

对简化仿真模型进行仿真得到温度场、流体场结果。

进一步的，所述将仿真模型中部分导热体简化为一个整体的导热体包括：

简化前的各导热体包括定子轭、定子齿、实心铜导线、主绝缘、匝间绝缘、空心铜导线和冷却水；

将实心铜导线、匝间绝缘、空心铜导线简化为一个整体的导热体。

进一步的，所述定子材料属性包括导热体的导热系数和比热容。

进一步的，所述导热体的导热系数和比热容包括：

导热体的导热系数和比热容计算公式为：

上式中，λ、ρ、c、v分别为简化后导热体的导热系数、体密度、比热容、体积；d1、d2…dn为简化前各导热体厚度；λ1、λ2…λn为简化前各导热体的导热系数；v1、v2…vn为简化前各导热体体积；ρ1、ρ2…ρn为简化前各导热体密度；c1、c2…cn为简化前各导热体的比热容，下标1、2…n代表简化前导热体序号，简化前导热体包括实心铜导线、匝间绝缘和空心铜导线，从1按顺序给这些导热体的序号。

进一步的，所述冷却风的风速是指通风沟入口处冷却风的风速，冷却风风向简化为平行于定子铁心表面进入通风沟。

进一步的，所述冷却水的流速包括：

根据冷却水的出入水量计算冷却水的流速；计算公式如下：

上式中，u为冷却水的流速；v为冷却水流量；s为所有冷却水道的截面积之和。

进一步的，所述计算仿真所需的热载荷包括：

计算大型双水内冷同步调相机的铜耗与铁耗；

根据损耗计算生热率，将生热率做为仿真所需的热载荷。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明通过简化大型双水内冷同步调相机定子模型可以在确保能反映定子温度分布的情况下简化计算模型，在兼顾精度的情况下提升计算速度。

附图说明

图1是本发明涉及的大型双水内冷同步调相机定子铁心简化模型；

图2是本发明涉及的大型双水内冷同步调相机的网格划分情况；

图3是本发明涉及的大型双水内冷同步调相机简化公式示意图；

图4是本发明涉及的大型双水内冷同步调相机定子温度场流体场耦合仿真模型简化前后对比图；

图5是本发明涉及的大型双水内冷同步调相机定子简化前后温度场流体场耦合仿真温度分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明的一种大型双水内冷同步调相机的定子温度场流体场简化仿真方法，包括以下过程：

步骤1：根据大型双水内冷同步调相机的实际结构，建立大型双水内冷同步调相机的定子的仿真模型。

如图1所示，根据对称性，取大型双水内冷同步调相机定子的四个齿、两个轭、一个通风沟、定子主绝缘、定子实心导线、定子空心导线、定子匝间绝缘、冷却水做为仿真计算模型，此大型双水内冷同步调相机的定子的仿真模型的横截面如图4(a)所示，在此模型中定子齿、定子轭、主绝缘、实心铜导线、匝间绝缘、空心铜导线和冷却水均作为导热体，将模型导入网格划分软件中，为模型网格划分做准备；

步骤2：对不同的部件，如定子齿、定子轭、定子导线、主绝缘、匝间绝缘、定子通风沟和冷却水采取不同密度的网格划分；

对定子通风沟和冷却水设置膨胀层，对定子空心导线、定子实心导线、匝间绝缘、主绝缘、定子轭、定子齿、通风沟、冷却水采用可自定义网格密度大小的划分方式，以确保计算速度以及计算精度。网格划分结果如图2所示。

步骤3：确定定子的材料属性：导热系数、比热容，在仿真软件fluent中逐一设置定子不同部件的材料属性；

步骤4：将冷却风风向简化为平行于定子铁心表面进入通风沟，设置通风沟入口处冷却风的风速并做为边界条件；

步骤5：根据冷却水的出入水量计算冷却水的流速；计算公式如下：

上式中，u为冷却水的流速；v为冷却水流量，一般由电机说明给出；s为所有冷却水道的截面积之和。得到冷却水流速做为仿真边界条件。

步骤6：根据电机铜耗、铁耗，施加热载荷以及步骤4和步骤5中的边界条件。

大型双水内冷同步调相机在运行时，由于铜耗、铁耗、机械损耗等最终转化为热量使大型双水内冷同步调相机温度升高。仿真时需要大型双水内冷同步调相机的铜耗与铁耗(合称为损耗)，铜耗与铁耗由相关资料给出、根据相关公式计算，也可根据电磁场仿真软件计算得到。

得到损耗之后，根据定子实心导线、空心导线和定子齿、定子轭体积即可计算出生热率。生热率q的表达式如下：q＝p/v。式中q、p、v分别为大型双水内冷同步调相机的生热率(定子实心导线、空心导线和定子齿、定子轭)、损耗和体积。生热率做为仿真所需的热载荷。

步骤7：由上述步骤1～6得到所建模型的温度场、流体场结果。

大型双水内冷同步调相机的定子的仿真模型进行仿真，得到的温度分布结果如图5(a)所示。

步骤8：对大型双水内冷同步调相机的定子的仿真模型进行简化，重复步骤2-6得到简化模型的温度场、流体场结果。

大型双水内冷同步调相机的定子的仿真模型中，将实心铜导线、匝间绝缘、空心铜导线(是简化前的部分导热体)简化为一个整体的导热体，新的整体的导热系数、比热容计算方法如公式(1)所示。冷却水、通风沟、定子轭、定子齿、主绝缘仍按原来模型不变，得到新的简化仿真模型如图4(b)所示，而简化前的仿真模型的横截面如图4(a)所示，从两个图可以对比看到，定子槽内除保留冷却水和主绝缘之外，其余部分实心铜导线、匝间绝缘、空心铜导线简化为一个整体。对简化仿真模型，按步骤(2)-(6)进行温度场流体场仿真，对应的仿真结果如图5(b)所示。

简化前后的示意图参见图3，简化后导热体的属性计算公式如下：

上式中，λ、ρ、c、v分别为简化后导热体的导热系数、体密度、比热容、体积；d1、d2…dn为简化前各导热体厚度；λ1、λ2…λn为简化前各导热体的导热系数；

v1、v2…vn为简化前各导热体体积；ρ1、ρ2…ρn为简化前各导热体密度；c1、c2…cn为简化前各导热体的比热容，简化前导热体是指实心铜导线、匝间绝缘和空心铜导线，从1按顺序给这些导热体进行编号，因此下标1、2…n代表简化前导热体序号，并且简化后的导热体厚度d＝d1+d2+…dn。

对比步骤7和步骤8得到的温度场和流体场，即从图5(a)和图5(b)所示的温度场可以看出，简化前后得到的温度场差别不大，而温度场是受流体场影响的，因此简化前后得到的流体场差别也不大，因此证明了简化后的仿真模型可以很好的体现同步调相机的定子温度场流体场，进一步证实了本发明简化仿真方法的可行性。

本发明采用上述技术方案的有益效果是：通过简化大型双水内冷同步调相机定子模型可以在确保能反映定子温度分布的情况下简化计算模型，并且对不同的部件采取不同的网格划分方法，确保计算准确的同时可以高效地利用计算机，在兼顾精度的情况下提升计算速度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。