某轴向通风无刷励磁机三维流场数值模拟

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1、某轴向通风无刷励磁机三维流场数值模拟　　摘要：为了研究某轴向通风无刷励磁机的流场特点，依据计算流体动力学原理，采用有限体积法，建立该励磁机三维通风物理模型，并给出相应的边界条件，采用fluent软件对厂商提出的两个方案的流场进行数值模拟，结果表明，两方案的流动迹线特征不同，励磁机入出口无压差，定、转子轴向风沟间出现环流；入出口压差为742Pa时，定、转子轴向风沟中的空气从风沟中直接流出并进入出风筒，采用有限体积法与等效风路法所得方案二的入口体积流量误差为O，04%，在工程允许范围内，证明了结果的合理性，研究结果可为同类型励磁机的风路设计提供参考，　　关键词：流场；数值模拟；轴向通风；无

2、刷励磁机　　DoI：10.15938/j.jhust.2016.04.011　　中图分类号：TMl21　　文献标志码：A　　文章编号：1007-2683（2016）04-0059-06　　0引言　　无刷励磁机是通过转轴上布置的整流盘将交流电整流成直流，为同步电机（主机）提供励磁电源的旋转电机…9，其冷却情况直接影响机组的安全、经济运行，由于冷却结构设计不合理造成励磁机磁极线圈过热烧损的现象时有发生为了保证励磁机内绕组温升在安全范围内，使励磁机能够长期安全稳定运行，迫切需要像发电机、电动机等一样，采用实验或数值模拟的方法研究其内部的热流场分布，为励磁机的通风系统设计及结构优化提供理论依据

3、。　　目前，国内外研究者对励磁机做了大量的研究并取得了显著的成就，文分别介绍了空冷汽轮发电机用、水轮发电机用以及核电用的无刷励磁机的设计原则和主要的结构特点，文介绍了将无刷励磁机转换为静态励磁机的方案，解决了无刷励磁机的振动和维护问题，旋转整流盘是无刷励磁机重要的整流部件，对此，研究者在整流电路设计及故障诊断方面也做了大量的研究，但是目前公开发表的文献中对无刷励磁机的热流场研究较少，尤其对轴向通风无刷励磁机的流场特性的研究很少，所以采用数值方法研究轴向通风无刷励磁机内整体流场特性具有一定的工程实际价值，　　本文研究的无刷励磁机属于国外引进二次开发的新产品，主轴上布置转子和整流盘两个旋转

4、部件，采用轴向通风系统即定转子铁心仅开设轴向通风沟（简称定、转子风沟），其通风结构和采用的通风系统均不同于文，目前厂商根据电磁计算的结果，确定了励磁机核心部分尺寸，其通风冷却风路还处于探索阶段，考虑励磁机损耗较小，有些励磁机定转子均采用轴径向风沟冷却，仅依靠旋转自吸风作用吸入冷却空气，即人出口无压差时仍能安全运行，本文研究的励磁机仅有轴向冷却，定转子铁心较短，于是厂商提出研究两种冷却方案下流场特性，方案一：励磁机空气入出口均接在主机风扇前端的流道，入出口间的压差为0Pa，即励磁机依靠旋转自吸风冷却本身部件；方案二：将人口接在主机风扇后端的流道，出口位置接于风扇前端的流道，即利用布置在主

5、机端部空气入口处的风扇前后静压差7429Pa，使空气进入励磁机内，该数据由厂商提供，属于风扇工作点压力数值，流场特性决定冷却效果，因此流场研究很重要。　　1.物理模型　　本文研究的励磁机属于外置型励磁机，通过方形风筒和主机风道相连，进入励磁机内的空气为主机循环空气的一少部分，理论上冷却空气的走向为从励磁机人口进入的冷却空气沿风筒从进风筒侧进入励磁机内，冲刷整流盘后分三路进入定、转子风沟和气隙中，吸收定转子铁心和绕组热量后，进入出风筒，然后从出口流出，进入主机，见图1、2，　　该励磁机轴向上转子端部局部结构不对称，周向上引线非周期性布置（见图3b），故建立了整机三维流场的计算域模型，见图

6、2，其中励磁机内部旋转空气区，见图3。　　2.数学模型及求解条件　　2.1数学模型及计算条件　　数学模型选取考虑如下因素：　　1）励磁机内空气流速远小于声速，可视为不可压缩流体，流体物性参数视为常数；　　2）仅研究稳定状态励磁机内的空气流动，经计算，励磁机内空气流动处于湍流状态，　　3）重力与其它力相比很小，对空气流动的影响可以忽略，9　　在多重参考系（旋转坐标系和静止坐标系）下，对整机进行流场数值计算时，布置在主轴上的整流盘和转子相对定子作高速旋转，带动整流盘和转子内的空气旋转，上述空气区置于旋转坐标系，其他置于静止坐标系中，流场求解时控制方程组中包括质量守恒方程、动量守恒方程，其通

7、用控制方程如下：　　此外，控制方程组中还应包含反映湍流特性的湍流输运方程，本文采用使用最广泛的标准k-6两方程模型，见文。　　2.2边界条件及求解设置　　本文选择压力入、出口边界条件，根据厂商提供的数据：励磁机额定转速为1000r/min，方案一人、出口表压均为0Pa，方案二人口表压为742Pa，出口表压为0Pa，近壁面处采用标准壁面函数法处理，采用二阶迎风格式离散控制方程组，所有网格节点的离散方程采用分离、隐式求解器求解，压力与速度耦合方程组