電磁場有限元分析

1、水輪發(fā)電機單通風溝三維簡化模型溫升計算一、問題分析近年來，隨著水輪發(fā)電機單機容量的不斷增加，在發(fā)電機進行能量轉 換過程中產(chǎn)生的損耗不斷增大，使其運行的溫升問題日趨嚴峻。根據(jù) 上述情況，運用有限元分析方法，建立發(fā)電機單通風溝三維簡化模型 進行發(fā)電機溫升計算。二、電機單通風溝有限元分析1.1水輪發(fā)電機單通風溝三維簡化模型建立根據(jù)實際水輪發(fā)電機結構和通風溝特點，并考慮可接受誤差，進 行適當簡化，以便于簡化有限元分析計算得到以下模型，如圖1所示。sr*圖1發(fā)電機單通風溝簡化物理模型由圖1所示：水輪發(fā)電機單風溝簡化物理模型三維求解域在軸向 上包含發(fā)電機一個通風溝以及通風溝兩側各半個軸向鐵心段；幅向上 包

2、含發(fā)電機定子三個槽、轉子兩個槽。根據(jù)有限元分析特點，對發(fā)電機單通風溝簡化物理模型進行網(wǎng)格 剖分，得到發(fā)電機單通風溝簡化物理模型剖分圖如圖2所示。圖2電機單通風溝簡化物理模型網(wǎng)格剖分由于物理模型較小，可以適當加密剖分進而提高計算精度，故采 用楔形和六面體的混合網(wǎng)格進行剖分，總網(wǎng)格數(shù)共48萬，節(jié)點數(shù)為 30萬。利用有限體積法，將流體場和溫度場進行強耦合求解，從而 得到發(fā)電機的詳細溫升分布情況。1.2邊界條件在圖1中，求解域內(nèi)的面S為徑向通風溝的進風口，沿徑向與面 1對應的面s2為徑向通風溝的出風口。由此，根據(jù)所研究發(fā)電機的實 際運行工況，可以給定如下發(fā)電機單風溝物理模型的邊界條件：1）冷卻空氣的初

3、始基值絕對溫度為0K；2）徑向通風溝入口 風速為5.1m/s的速度入口邊界，通風溝出 口七為自由流動邊界；3）求解域其它外邊界均為絕熱面，發(fā)電機內(nèi)部流體與固體的接 觸面均為無滑移邊界面。采用有限體積法，利用共軛傳熱問題的相關求解技術，可以對雙 饋水輪發(fā)電機溫升分布情況進行流一熱耦合場數(shù)值計算。進入單個徑向通風溝內(nèi)的空氣流速為5.1m/so三、計算結果溫升底）-45.53-39.84-34.15-28.46-22.76-17.07Ir 56.91 5L22-11.385.690圖3發(fā)電機溫升計算值如圖3所示：發(fā)電機轉子溫升略高于定子，尤其是繞組位置最為 明顯，最高溫升點出現(xiàn)在轉子繞組處，最高溫升

4、為56.91K；無論定 轉子，繞組部分的溫升高于鐵心部分溫升；對于在鐵心部分，鐵心齒 部溫升明顯高于軛部溫升。取求解域中鐵心軸向遠風端模型的外表面，即實際發(fā)電機單鐵心 段軸向中心位置處截面為采樣面，該采樣面為求解域內(nèi)最高溫升所在 的軸向截面，提取該采樣面溫升如圖3-a)所示；取通風溝軸向中心截 面為另一采樣面，該采樣面為求解域內(nèi)最低溫升所在位置，如圖3-b) 所示。算值溫升（K）43.59-39.15溫升(K)56.91a）鐵芯遠風端外表面溫升計算值-48.0334.71-30.26p-55.82 .- 50.2444.66-39.073349H 27.91 1-2233-16.75 Jt- 11.16Er 5.5Sb）通風溝軸向中心截面溫升計圖4溫升極值所在軸向截面計算值由圖4-a）圖可知：發(fā)電機轉子繞組的溫升最高，數(shù)值為56.91K， 并且由數(shù)值計算結果可知，其位置位于發(fā)電機轉子上層繞組徑向偏下 處，且轉子繞組溫升上層明顯高于下層，而定子繞組溫升相對于轉子 繞組的較低。如圖4-b）可見：在該區(qū)域轉子繞組的溫升依然最高，最高溫升同 樣為55.82K，比最熱面轉子繞組的最高溫升低了 1.09K，由于繞組銅 有著良好的導熱性能，發(fā)電機內(nèi)流體流動以及溫升達到穩(wěn)定狀態(tài)后