摘要：提出了針對汽車爪極發電機三維定子溫度場有限兀計算的新方法，有效處理r汽車爪極發電機定子鐵心與氣隙之間以及定子繞組端部與空氣之間復雜的對流散熱過程，妥善解決了汽車爪極發電機定子的熱交換問題。

    運用等效體積法給出了散下線定子繞組的三維有限元計算模型，簡化了計算難度并目節省了計算時間。在此基礎上建立了汽車爪極發電機定子三維溫度場三維數學模型和三維有限元計算模型：計算了汽車爪極發電機額定負載運行時定子的穩態溫度場；實驗結果很好地驗證了該三維溫度場計算模型的正確性和計算結果的準確降。在該三維溫度場計算模型的基礎上，分析了冷卻風速及浸漆質量對汽車爪極發電機定子溫度場的影啊，為汽車爪極發電機優化設計奠定了理論基礎。

關鍵詞：爪極發電機；二維溫度場；有限元；計算模型

0引  言

伴隨著汽車爪極發電機容量和材料利用率的提高，現代汽車爪極發電機多采用較高的電磁負荷，從而使電機在運行過程中損耗增加，這些損耗最終絕大部分將變成熱量，從而導致電機各部分溫度升高，致使電機的使用壽命和工作性能變差。電機溫升逐漸成為制約電機往更大容量、更小體積、更高效率發展的主要障礙。

    在電機的溫升計算中最主要的是計算定子繞組和鐵心的溫升。這些部件既是導熱介質，又是發熱體，發熱與散熱過程極其復雜。由于電機不是一個均質物體，各部分的溫升不能用簡單的平均溫升來代替，因此電機各部分溫升的計算成為電機設計人員關心的問題。于足，如何精確計算出電機的三維溫度場就成為關鍵所在：

    傳統的電機溫度場計算主要采用簡化公式法、等效熱路法、等效熱網絡法等 ，無法準確得出電機內部詳細的溫度****點位置及溫升分布情況，而****的電機溫度場計算方法主要有有限元法、有限差分法、有限體積法等，但迄今為止，運用這幾種方法對汽車爪極發電機溫度場方面的研究，國內外發表的有關文章、著作還比較少，因此，對汽車爪極發電機三維溫度場的研究要求十分緊迫。

    本文根據有限元方法，建立了汽車爪極發電機定子三維溫度場模型，并基于該溫度場模型，計算出了電機額定轉速下定子三維溫度場，分析了定子繞組和鐵心溫度****值及****值，通過與實驗結果的比較，驗證了該汽車爪極發電機定子三維溫度場模型的正確性及計算結果的準確性。并在此基礎上研究了不同冷卻風速及浸漆質量對電機定子三維溫度場分布的影響，對指導爪極電機設計的理論及實踐具有重要意義。

1定子三維溫度場的理論計算

1．1計算模型和基本假設

本文中汽車爪極發電機采用雙離心風扇通風方式。在整個通風系統中，風路共分為三個回路：一路是從前端蓋進風，吹拂定子端部繞組后，沿徑向從機殼出風；一路是從后端蓋進風，吹拂定子繞組端部后，沿徑向從機殼出風；一路從前端蓋軸向進風，經過定轉子問氣隙后，沿機殼后端部徑向出風(前端風扇葉片大，使前端風量和風壓大，有風從氣隙通過)，如圖1所示。

    爪極發電機的定子結構十分復雜，計算區域內包括很多材質：定子鐵心、銅導線、槽楔、導線絕緣、漆膜、空氣隙等，而且其中定子鐵心的導熱系數呈各向異性，于是我們按等體積法對其進行簡化，其三維等效模型如圖2所示，并做如下假設：

    (1)為了計算方便，取一個半齒作為計算區域，如圖3所示；(2)考慮其定子銅耗時，假設渦流效應對每根導線的影響基本相同，即取其平均值；(3)考慮到氣隙的緣故，認為定轉子之間沒有熱交換；(4)認為各槽導線均勻排列。

    (5)由于周向的對稱性，認為槽中心面s3與齒中心面s2都是絕熱面，即：式巾：{T}為求解域內全部節點溫度所形成的溫度列陣；系數矩陣[K]為溫度剛度矩陣；{P}稱為總體右端列向量。

    求解該方程組，即可求得各個節點的溫度值。

1.3求解域網格剖分

在計算求解區域內的三維溫度場分布時，其計算結果的準確程度由網格數量直接決定。在有限元計算進行網格劃分時，經多次試算，在溫度梯度較大處，網格應密些。借助于有限元軟件，采用三棱柱單元對求解區域進行網格劃分，自動生成定子各部分單元和節點，定子繞組網格剖分結果如圖4所示，定子鐵心網格剖分結果如圖5所示。

2表面散熱系數與損耗的確定

2．1表面散熱系數的確定

由于空氣在爪極發電機風路中是受迫流動，且風路很不規則，因此流動狀態大多數情況下是紊流。

    流體在風道中流動狀態為紊流時(Ra>3×10。)，熱交換的標準等式可以描述：

    式中：Ⅳ為努謝爾特準數；R為雷諾茲系數；d為通風道的等效直徑；R為散熱表面距旋轉中心的半徑。

    而在紊流情況下，流體運動相似性準則可表達如下：

    由于爪極發電機風路很短，在大多數情況下，可以認為在每個風路中冷卻空氣的溫度變化不大，因此上式中的參數基本上=是常數，因而在實際計算中，在風路不變的情況下，可以認為表面散熱系數a只是冷卻空氣流速u的函數。

    2.2損耗的確定本文選用的汽車爪極電機額定功率為1．1 kw，額定電壓為12 V，額定電流為36 A，額定轉速為3 000 r／min。定子求解域內，定子繞組為主要的發熱部件，此外定子還有鐵耗、附加損耗等，其各項損耗值如下：

2．2 1定子繞組的基本銅耗

汽車爪極發電機在額定工況下運行時，其相電2 2 3附加損耗爪極電機的附加損耗是由于定子繞組槽部和端：

    部的漏磁場所引起的。漏磁在定子繞組銅線和鄰近的金屬結構部件內感生渦流。爪極電機中產生附加損耗的另·個原因是定轉子諧波磁勢。大多數情況下定轉子中的附加損耗總共為電機額定功率的1％～5％．    ，3計算結果與實驗結果對比分析我們用上述方法對錦州漢拿電機廠JFzl722Al型汽車爪極發電機在額定工作環境下定子的溫度場進行了計算，得到了定子鐵心和定子繞組的三維溫度分布，如圖6和7所示。計算結果與實測值對照結果，如表l所示。從圖6可以看出，定子鐵心****溫度出現在定子齒的中部，為205 5。C；****溫度出現在定子鐵心的左右側迎風面(前后端蓋迎風面)，為167 O℃，并且定子鐵心的左側溫度低于右側，主要是南]==左側冷卻風速及風量大于右側所斂；由中心向兩側溫度梯度較大，主要是由于鐵心導熱系數各向異性，徑向導熱系數遠大于軸向所致。從圖7町以看出，繞組溫度****處在中部，嵌在定子槽中的部分，溫度為226 5。c，繞組左側外露部分的迎風面底部溫度****，為224 O℃；繞組****溫度與****溫度相差不大，為2 5℃，左右兩側端部的迎風面溫度相差也不大，約0．3℃，其主要原因是繞組的材料是銅，氣導熱系數很大，導熱性能好所致。

4不同冷卻風速和浸漆質量對定子溫度場的影響

4．1冷卻風速對定子溫度場的影響

從圖8可以看出，冷卻風速對繞組的溫升影響很大，當“，從2 5 rn／s升高到10 r/s時，繞組****溫度降低了65℃。因此，改進風扇的設計，提高冷卻風速，可以大大提高發電機的性能。

4．2浸漆質量對定子溫度場的影響

對散嵌式繞組來說，特別重要的是保證導線的整體浸漆，因為定子繞組浸漆質量的優劣(用浸漬系數☆表示：k=l表示浸漬漆完全填充，k=O表示沒有填充浸漬漆)直接關系到定子繞組與定子鐵心之間的導熱系數，進而影響整個定子的溫升。

    從圖9可以看出，浸漬系數對爪極發電機定子溫升影響比較明顯，定子溫升隨著浸漬系數的增大而降低。

5結論

通過對爪極發電機在額定負載時的三維穩態溫度場的計算并分析冷卻風速及浸漆質量對電機溫度場的影響，得出以下結論：

    (1)運用有限元方法計算爪極發電機定子三維溫度場，可以得出定子各個結點的溫度，便r采取針對性措施解決電機局部溫升過高的問題：

    (2)運用等效體積法建立爪極發電機三維溫度場有限兒模型，其計算結果與測量值相吻合，為同類電機：維溫度場分析提供理論依據和計算方法。

    (3)在影n自電機定子溫升的因素中，定子繞組浸漆質量及冷卻風速對電機定子溫升影響顯著，可以通過提高繞組浸漆質量或冷卻風速來降低電機定子繞組的溫度：

    本文中實驗方案的制定和實驗數據的測量記錄工作是在萬得集團錦州漢拿電機有限公司研究院劉勇東、孫玲、鹿洪波、楊佳等工作人員的火力支持下完成的，在此向他們表示衷心的感謝。