为了保持竞争力，电机制造商正在提高电机和发电机的功率密度。这就带来了热挑战，因为电机的温度慢慢的升高，会影响性能和预期寿命。因此，精确的热分析和设计对改善电机冷却至关重要。

  本文将介绍为带绕全封闭风扇冷却（TEFC）感应电机设计改进冷却技术的研究。在大型TEFC异步电机中，最高温度通常出现在末端绕组。本文介绍了为研究这些机器末端区域的气流和传热情况，以确定如何改善热性能而开展的研究。

  计算流体动力学（CFD）被用来模拟气流和热传递。然后通过实验验证建模，以增强对使用CFD的信心。随后进行了一系列调查，以测试对末端区域设计的一些可能改进，并报告了冷却性能的变化。

  由于复杂的气流模式对热量传递起着主导作用，因此最难实现。表I中列出了有关末端绕组传热系数的研究结果摘要。目前对TEFC机床末端区域气流场的性质达成了普遍一致，该气流场由叠加在主旋涡流上的两股主要再循环流组成。

  除了端部绕组的传热系数外，还对端部区域的流体流动进行了详细研究。一股较强的再循环环形涡流存在于漩涡上方。

  一股较弱的再循环气流穿透靠近其底部的末端绕组，在末端绕组后面向上流动，并穿过末端绕组的顶端，与另一股主要再循环气流汇合。这些二次流如上图所示。通气式机器中的流场也得到了研究。

  热传导主要受末端区域气流的影响，虽然这一点通常能定性理解，但除非使用CFD，否则很难定量评估设计变更对气流的影响，特别是在考虑新配置的情况下。

  研究使用了一台200千瓦带状绕组高压两极TEFC异步电机非连接端的端部绕组。通过切割定子（包括最后几片定子叠片）将端部绕组从电机定子上拆下。然后将端部绕组安装在一个试验台架上，以模拟端部区域。框架和端盖由莹石制成，以帮助观察。

  通过变速电机驱动带有转子杆延伸部分和端环的模型轴和转子。转子上相应地安装了导流板和其他风扇结构。

  上图显示了钻机的半剖面示意图，说明了主要尺寸和其他部件的位置，如楔块、端环和转子杆延伸部分。

  在关键位置使用五孔气流探头测量平均速度。此外，还在适当的位置使用连接在杆末端的羊毛束进行了简单的流动目测，以了解整个流场的方向。末端绕组中的一个线A直流电），通过欧姆加热产生热量。

  微箔片热通量传感器（RdF公司生产的27036-3型）由热电堆和T型热电偶组成，用于测量加热端绕组线个位置的热通量和壁温，如上图所示。热通量传感器的尺寸为6毫米×17毫米，厚度为0.3毫米，体积小，重量轻。

  在安装时，连接线应位于假定气流方向的下游。所有连接线都用胶带粘在末端绕组线圈上，其位置对气流的影响最小。为了测量通过Perspex框架的热通量，在框架外侧放置了电热垫，与每个热通量计相对应。

  这些电热片直径约为50毫米，向机器内提供热通量，由热通量计测量。限制热通量是为了使框架内部的自然对流与端部区域内空气流通所产生的强制对流相比不会太明显，同时也是为了确认和保证Perspex框架不会过热。

  高雷诺数湍流气流的传热系数主要由表面气流决定，与热通量的大小或方向基本无关。数据记录器记录了这些热流传感器的读数，然后求出5分钟的平均值。

  驱动电机的机架可以自由旋转，扭矩反作用于校准过的横梁，因此横梁的挠度表示力，进而表示电机扭矩。在驱动电机上测量的扭矩还包括轴承和驱动电机的摩擦损耗。

  通过在没有转子铁芯模型的情况下操作试验台，可以消除这一些损耗。转子和轴在末端区域的风动功率损耗是根据驱动装置上的扭矩测得的。

  有许多不同的技术可用于电气和电子系统的热建模。传统上，简单的热阻叠加参数网络被用于建立复杂系统的模型，例如如完整的电机和电子封装。然而，虽然这些整数参数模型适用于总系统，但通常没办法提供复杂三维形状固体内部温度分布的详情信息，也无法预测复杂的流体流动和对流换热系数。

  因此需要更详细的模型，通常使用有限元软件来详细描述固体内部的热传导情况。为了模拟复杂构造中的气流并预测对流换热系数，CFD软件是一种合适的工具，它已成功用于电机风扇的设计以及电机中气流和热传递的建模。

  本文使用CFD对电机末端区域的气流和传热进行建模。使用的是通用CFD软件FLUENTv.6。旋转参照系技术用于考虑转子的旋转。建立了两个参考框架，一个包含所有旋转部件，即轴、转子、端环和拂尘，另一个固定参考框架包含电机框架、端罩和端绕组。

  只对端部区域的45o扇形区域进行了建模，因为它与转子上的八个晶片是旋转对称的。由于末端绕组涉及复杂的几何形状，因此采用了非结构化网格，包括构建了四面体单元。使用了标准k-ε湍流模型和标准壁面函数。

  生成的初始网格大小约为3毫米，在得出初始解后，采用了基于速度梯度、体积变化和靠近壁面的单元中的y+值的适应技术。选择靠近壁面的单元的y+值是为了在CFD代码中用壁面函数正确表示靠近壁面的边界层。然后再次求解得到的细化网格。

  重复这一过程，直到求解结果与网格无关。一般来说，独立于网格的解法大约需要800000个单元。所有模型均以1700r/min的速度运行。末端绕组表面的温度恒定为140oC，而机架温度则设定为20oC。选择这些温度是为了代表机器中的典型边界条件，但CFD计算出的对流传热系数与温度的关系不大。

  为了增强对模型的信心，进行了CFD验证。上图显示了两个模型之间在参考平面上测量到的气流速度大小对比。能够准确的看出，CFD和实验之间的吻合度很高。

  对CFD预测的端部绕组传热系数和实验测量的传热系数进行了比较，上图显示了端部绕组线个热流计位置的传热系数的测量值和CFD预测值的比较。

  结果发现，根据测量的局部传热系数的面积加权平均值确定的整体端部绕组传热系数与CFD预测值的误差在7%以内。

  以前曾对该电机端部绕组的传热进行过研究。其中描述了电机速度、绕组长度以及端部绕组与端部防护罩之间间隙的影响。在本次调查中，CFD被用于研究对端部区域设计进行更根本性的修改，以确定是不是可以改善端部绕组的冷却效果。

  这些修改包括以下内容：移动分隔末端绕组线圈的下垫片的位置；在导流板上方增加一个空气导流板；使用高而窄的裹尸布；末端绕组上方的轴流风机；风扇靠近末端防护罩。

  下文对这些修改进行了更全面的描述，并对其效果进行了评述。在每种情况下，CFD模型都用于对以下方面做预测：末端绕组的总传热系数；端盖和框架的整体传热系数；通过末端区域的空气，从末端风口到框架的整体对流热阻；风偏损失。

  这些数据见表II。设计变更的效果与参考情况做了比较，参考情况下的地质计量如上图所示，转子转速为1700r/min。

  垫片为末端绕组提供了机械刚度，但也限制了空气通过末端绕组的穿透力。这可能会减少热传导。研究之后发现，下间隔片的最佳位置与转子端环一致。

  如果它们位于端环上方，则会阻挡从晶片中流出的气流。我们还注意到，当通过端部绕组的气流增加时，风量损失也会增加。我们考虑了三种隔板位置：与转子端环一致、比初始位置高10毫米（参考情况）和20毫米。

  空气导流板的作用是引导气流通过端部绕组，而不是让气流在导流板上方的空间内再循环。然而，由于末端绕组中间部分的气流阻力较大，穿过末端绕组的气流大幅度减少，导致末端绕组和机架之间的整体热阻增加。

  这一修改降低了端部绕组的整体传热系数，同时相应提高了框架的整体传热系数。然而，总体结果是末端绕组和机架之间的热阻略微增加了约6%。风量损失减少了50%以上。

  在末端绕组上方安装了一个轴流风扇，并在末端绕组周围安装了导流板，使空气流入底座并向上穿过末端绕组。与参考模型相比，末端绕组和框架之间的整体热阻降低了19%。

  然而，风量损失却增加了2.4倍。尽管通过末端绕组的气流有所改善，但整体传热系数并没有降低。

  从建模中可以清楚地看出，限制端部绕组和电机机架之间整体热阻的因素是端部绕组后面的低气速导致机架上的传热系数相比来说较低。这是因为绕组叶片在末端绕组内侧产生了较高的速度，而背面和机架上的速度则低得多。

  因此，我们研究了一种新的纬纱或风扇布置，其叶片靠近末端防护罩，以引导气流越过末端绕组的顶部并从末端绕组背面和机架之间向下流动。末端绕组周围的循环速度比之前研究的任何模型都要大。

  高速空气从风扇叶片中喷出，穿过末端绕组，在末端绕组和机架之间向下流动。与参考模型相比，末端绕组和框架之间的整体热阻降低了33%。不过，风量损失增加了19%。传热系数的分布也更加均匀，最高值出现在末端绕组的顶端，而这一个位置通常有可能会出现绝缘破损。

  为了验证CFD分析表明在靠近端盖的位置安装风扇的结果可不可靠，我们对该配置进行了实验测试。

  如上图所示，实验得出的端绕组局部传热系数与CFD分析得出的传热系数进行了比较，结果令人满意，图中的位置指的是端绕组位置。

  根据测量结果估算，端部绕组和机架的整体传热系分别为103±27W/m2-K和90±30W/m2-K。这与表II所示的CFD结果一致。

  从这些研究中能够准确的看出，在TEFC机器的端盖和机架以及端部绕组上提供良好的热传导很重要。因此，风扇靠近端盖的配置性能好，因为在端部绕组后面的机架上实现了较高的气流速度，并在端部绕组顶端保持了较高的气流速度。

  此外，还能够正常的看到，由于存在垫片和其他提供机械支撑的硬件，气流阻力很大，因此鼓励空气通过端部绕组中间部分的尝试正常情况下不会奏效。

  建议采用以下一般设计原则：在末端防护罩和框架以及末端绕组上实现高气流速度；将空气引入热临界表面（如末端绕组的尖端），并进入末端绕组中流动阻力较小的部分。

  本文还证明了CFD可有效用于研究电机末端区域的冷却安排。最后，必须对机器做全面的热设计，以正确理解热流路径和也许会出现高温的区域。末端区域的冷却分析只是全面热设计的一部分。

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