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基于流体相似理论和三维有限元法计算大中型异步电动机的定子三维温度场

：分类号：TM343 文献标识码：A

文章编号： (2000) CALCULATION OF 3D STATOR TEMPERATURE FIELD OF LARGE

AND MEDIUM SCALE ASYNCHRONOUS MOTOR ON THE BASIS

OF THEORY OF FLUID SIMILARITY AND 3D FEMLI Wei-li，CHENG Shu-kang，

（Harbin Institute of Technology,Harb例如：楔形夹具in 150001,China）

FU Min， ZHOU Feng， WEI Yong-tian，

（Harbin University of Science and Technology,Harbin 150040,China）

HUANG Dong-zhu

（Jiamusi Explosion-proof Machine Works,Jiamusi 154002,China）ABSTRACT：In this paper, Theory of Fluid Similarity and 3D-FEM is used to calculate the 3D stator temperature field of large and medium scale asynchronous motor, which have 如数据编辑radical and axial ventilating system, and bo杀蚤驱虫th case of considering interturn insulation or not are calculated. The influence of interturn insulation on stator temperature field is analysised. The related factors affecting the stator temperature field is study in use of FEM and some useful results are achieved.

KEY WORDS：theory of fluid sim网站推广ilarity; stator; temperature field1 引言 大中型异步电动机定子温升的计算是异步电动机设控制柜计中的主要内容之一，它直接关系到电机的使用寿命和运行的可靠性。因此，准确地计算定子温升对电机的设计和运行具有重要意义。

由于定子绕组线棒内的股线绝缘的厚度很薄，因此在温度场的计算中常常忽略了股线绝缘厚度的影响［1～3］。但实际上，因定子求解域各散热面上的散热系数不同，导致定子各股铜线通过铁芯和径向通风沟向外散发的热量不同，从而使定子绕组内温度分布发生变化，定子绕组不再是一等温体，因而在设计计算时应考虑股线绝缘对定子温度场的影响。此外，在定子温度场计算时，尚需准确确定影响电机温度场的风速和表面散热系数的大小。

在具有轴径向通风系统的大中型电动机中，定子径向通风沟风速和表面散热系数对电机定子的温升影响较大，而定子径向通风沟的气流和传热是在非常复杂的情况下进行的。虽然通风沟有垂直相交的截面，形状看起来也似乎比较简单，但由于通风沟表面粗糙、入口较陡、弯曲截面非常短且有突变，再加上旋转的转子通风沟所产生的离心力和科里奥力，故从转子流入定子的空气气流是没有规律的，在通风沟内构成复杂的热交换边界条件。正是由于径向通风沟内空气流动状态的复杂性，目前异步电动机径向风沟散热系数的计算仍然由经验公式给出［4］。本文利用流体相似理论，建立了径向通风沟散热系数计算公式，结合三维有限元法计算了计及定子股间绝缘和不计股线绝缘两种情况下的大中型电动机的温度场，研究了若干影响定子温度场的相关因素，并采用三维有限元法进行了数字模拟，得出了相应有益的结论。2 定子三维温度场的数学模型2.1 计算区域的确定和基本假设

大中型电动机通常采用轴径向通风冷却系统，该通风系统在结构上沿轴向和径向分别对称。对大中型异步电机而言，沿定子轴向温度变化不大，同时因为在周向上铁芯的齿槽结构周期性重复，且考虑到定子铁芯的中心断面温度最高为绝热面，故可以把温度场求解区域确定为轴向半个铁芯段长度，周向半个齿距的范围，求解区域如图1所示。图中，当不考虑股线绝缘时，实际绝缘所占区域由股线所替代，与股线混合剖分，由此引起的计算误差可忽略不计［1］。当考虑股线绝缘时，实际绝缘所占区域与股线区域分别进行剖分。图1 求解域剖分图

Fig.1 Mesh of the solving region 基本假设：

(1)考虑到结构和风路的对称性，认为定子中心段的中间断面为绝热面；

(2)认为定子中心段两侧的径向通风沟的中心断面是绝热面；

(3)由于周向的对称性，认为槽中心面和齿中心面都是绝热面；

(4)槽楔近似认为与槽同宽；

(5)定子径向风沟内流体的物性参数变化对定子温度场影响较小。

2.2 三维稳态热传导方程及其等价变分问题

稳态时定子三维热传导方程为(1)式中 T为物体的温度；λx、λy、λz分进行工作别为x、 y、 z方向的导热系数；q为热源的发热密度。

若发热体的边界面S由S1和S2两部分组成，S1和S2上的边界条件分别为：
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