CN117332652A - 一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法，涉及发电机监测技术领域。基于电动机的实际尺寸建议三维模型，选取电动机的1/5作为计算域，通过网格划分，将其导入仿真软件中进行有限元分析，得到高原地区下电动机定子结构的温度分布规律；根据温度分布规律，结合泵站实测数据进行温度测点的优化布置，具体的：定子绕组上端、中部分别沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯齿部上端、中部分别沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯轭部上端沿径向均匀设置3个测温元件。本发明提出的测温元件布置方式，可以克服现有测点较多的问题，为今后高原地区的电动机定子结构的温度测点研究提供参考意义，以提高电动机的性能和运行可靠性。
Description
发明领域
本发明涉及发电机监测技术领域，具体是一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法。
背景技术
我国水力资源在地域上分布不平衡，为了实现水资源地合理调配，大型调水工程项目不断推进，泵站开始兴建并投入使用。电动机是该项目中最主要的关键设备，其中定子结构是电动机的核心部件之一。定子结构的温升直接关系到泵站运行的安全和稳定，运行人员通过测温元件观察其温度变化。如果得出准确的温度分布就可以预测电动机定子结构的使用程度，以方便提前修复或替换，减少经济损失，大大提高效率并给相关工作人员带来便捷。
中国水资源在西南地区占比超过50％，西南地区多为高原和高山分布。换言之，调水工程大多数起始于高海拔地区。此外，随着高原地区西藏林芝县的雅鲁藏布江下游水电的开发推进，高原气候环境下对电动机性能的影响逐步受到各方关注。高原地区海拔较高，空气稀薄，密度较小，气压较低，昼夜温差大，大气压强随海拔升高而降低。由于气压低密度小，导热系数小，传热效果变差，电动机损耗就会随之增加，其温度变化也会更剧烈，从而导致电动机功率受损，使用寿命降低，威胁机组安全，由此高原气压对电动机性能的影响显而易见。
在传统的电动机定子结构温度监测中，通常是在定子绕组不同相的层间和定子铁芯不同相的槽底布置一些温度传感器，以获取定子内部的温度分布情况。然而，由于高原地区的特殊气候和工作条件，传统的测温元件布置方式可能无法充分准确地反映定子结构的温度变化。
因此，针对以上问题，研究了一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法，解决传统的测温元件布置方式可能无法充分准确地反映定子结构的温度变化的问题。
为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.基于电动机的实际尺寸建议三维模型，选取电动机的1/5作为计算域，通过网格划分，将其导入仿真软件中进行有限元分析，得到高原地区下电动机定子结构的温度分布规律；
S2.根据步骤S1中得到的温度分布规律，结合泵站实测数据进行温度测点的优化布置，具体的：定子绕组上端沿径向均匀设置3个测温元件，定子绕组中部沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯齿部上端沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯齿部中部沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯轭部上端沿径向均匀设置3个测温元件。
更进一步的技术方案是所述步骤S1的具体步骤如下：
S101.运用机械设计软件对高原泵站的电动机建立三维有限元模型并对其结构做合理简化，选取电动机的五分之一为求解计算域，提前对各个部件和流体域进行命名，以便软件识别和赋予属性；
S102.运用流体前处理工具对电动机五分之一模型进行网格划分，为了减小截断误差并获得更好的收敛性，生成网格时采用多面体形式；设置网格最小尺寸2mm和最大尺寸60mm，自动生成网格；分析网格单元数量、最小正交质量、纵横比和偏斜度，判断其是否满足计算要求；
S103.将网格文件导入求解器中采用coupled开始双精度数值仿真求解，计算规定的步数之后，得到定子结构温度场。
更进一步的技术方案是所述步骤S103中求解器的单元区域条件下的工作压力根据高原地区具体气压进行设置。
更进一步的技术方案是所述步骤S2的具体步骤如下：
S201.求解计算得到电动机定子结构整体的温度分布规律：定子绕组上下端部温度处于同一范围，上下温度分布对称；定子绕组中部温度低于上下两端，定子绕组中部RegionⅠ温度高于周围；定子铁芯齿部温度高于轭部，垂直方向上的温度分布呈周期性，定子铁芯Region II温度低；
S202.结合泵站实测数据进行温度测点的优化布置，具体的：定子绕组上端沿径向均匀设置3个测温元件，定子绕组中部沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯齿部上端沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯齿部中部沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯轭部上端沿径向均匀设置3个测温元件。
工作原理：本发明提出的方法，主要是通过Fluent 2022R1仿真软件求解能量守恒方程、运动方程和质量连续性方程从而进行数值仿真电动机温度场，还求解了三维稳态热传导微分方程，符合理论要求和实际情况。
能量守恒方程：
运动方程：
连续性方程：式中，cp是固体的比定压热容，单位是J/(kg·K)；ρ是密度，单位是kg/m3；λ是导热系数，单位是W/(m·K)。
温度场是温度空间分布的一个标量场，是时空坐标系下的函数，即
三维稳态热传导微分方程：式中，qv为单位体积的发热率,单位是W/m3，λx、λy、λy分别为x、y、z方向上的导热系数。
电动机的总损耗计算公式为P＝Pcu+Pcuf+PFe+PΔ+PΩ，式中，Pcu是定子绕组铜损，Pcuf是转子励磁损耗，PFe是定子铁损耗，PΔ是杂散损耗，PΩ是机械损耗，由于杂散损耗和机械损耗相对铜损铁损来说占比较小，也不是此次研究的重点，故在仿真计算中只考虑了基本损耗也就是前三者的损耗。
其中，Pcu＝3I2R；Pcuf＝(IfN 2R·2IfN)10-3， 式中，K1、K2分别是空载时定子轭部、齿部的损耗增加系数铁损耗，G1、G2分别是定子轭部、齿部的质量，P1、P2分别是定子轭部、齿部的单位损耗，B1、B2分别是定子轭部、齿部的磁通密度。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)综合考虑高原环境特点：在优化布置方案中综合考虑了高原地区的气压等气候条件特点。对今后高原地区电动机测温元件的设计和安装提供参考价值。
(2)全面的测温元件布局：提出的方案是根据温度变化规律、泵站实测数据和设计要求而设置的，方案能够更全面地捕捉定子各部位的温度，对改善综合水利性能具有重要意义。
(3)针对热点区域的优化：方案更加关注和重点监测定子中的关键热点区域，比如定子铁芯的齿部。对于温度变化不大的区域减少测温元件数量，从而能降低维护成本。
附图说明
图1为电动机的三维有限元模型。
图2为定子结构的温度分布：(a)定子绕组温度云图。(b)定子铁芯温度云图。
图3为实施例中方案1测温元件的布置示意图。(a)定子绕组。(b)定子铁芯。
图4为实施例中方案2测温元件的布置示意图。(a)定子绕组。(b)定子铁芯。
图5为实施例中方案3测温元件的布置示意图。(a)定子绕组。(b)定子铁芯。
图6为测温元件不同布置方式的温度变化趋势。
图7为环境温度15℃下不同压强下定子的温度分布示意图。
图8为环境温度10℃下不同压强下定子的温度分布示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法，其特征在于：包括以下步骤：
1.对高原电动机定子结构温度场进行有限元分析，得到高原环境下电动机定子结构的温度分布规律。
1.1运用SOILDWORKS对中国云南西北部河流上的20MW电动机建立三维有限元模型。基于电动机周期对称原理以及计算资源的限制，本专利将以五分之一模型为求解域。在建立模型时，为了便于分析和计算，对电动机的机壳和定子绕组做了适当简化，如图1所示。还对各个结构和对应面进行命名，便于操作和求解器识别。物理建模涉及的主要参数如下表1所示：
表1：建模主要参数
| 参数名称 | 数值 | 参数名称 | 数值 |
| 额定功率/KW | 20000 | 额定转速/rpm | 600 |
| 额定电压/kV | 10.5 | 额定电流/A | 1293.8 |
| 定子外径/mm | 3300 | 定子内径/mm | 2590 |
| 转子外径/mm | 2548 | 转子内径/mm | 1816 |
| 铁芯长度/mm | 990 | 电机极数 | 10 |
1.2因Fluent Meshing稳定性好，内存利用率高，输出文件速度快，具备从几何到求解的完整工作流程，故采用此流体前处理工具对模型进行网格划分，在求解器内非结构化网格有很好的适应性和连接性，例如能在转定子界面和流固界面上生成共节点网格，复杂结构处还进行了局部加密处理。为了减小截断误差并获得更好的收敛性，生成网格时采用多面体形式。根据模型的结构大小设置网格最小尺寸2mm和最大尺寸60mm，然后将会自动生成网格，基于网格独立性分析，最优网格方案包括6424039个单元。评判网格质量的标准有最小正交质量、纵横比和偏斜度，其值分别是0.16、75.78和0.6，满足计算要求。仿真计算涉及的主要参数如下表2所示：
表2：仿真计算主要参数
1.3当地海拔高度为3135米。通过“海拔高度每上升10米，气压下降1个百帕”和海拔气压换算公式可知，3135米＝69kPa。故仿真过程中，工作压强要把默认的101.325kPa修改为69kPa。
将网格文件导入求解器中采用coupled开始双精度数值仿真求解，计算规定的步数之后，得到定子结构温度分布规律，如图2所示。
将结果与实测数据进行对比验证，由泵站实测数据可知定子绕组和定子铁芯的实际温度变化，将所得的仿真数据采用数据分析绘图软件Origin预处理，与实际数据进行对比，实测值和仿真值误差不超过5％，满足工程需求，可证明仿真流程合理且正确。
2.根据温度分布规律、泵站实测数据和设计要求制定测温元件布置的方案。
2.1由步骤1可知定子结构的温度分布规律：定子绕组上下端部温度处于同一范围，上下温度分布对称。定子绕组中部温度低于上下两端，定子绕组中部RegionⅠ温度高于周围，是因为靠近转子线圈热源。定子铁芯齿部温度高于轭部，垂直方向上的温度分布呈周期性，定子铁芯Region II温度低，是因为其靠近通风部件。
2.2根据机组使用以及设计手册可知，此机组定子绕组测温元件是12个，定子铁芯测温元件是6个。然而，在实际运行中，泵站只选择了6个定子绕组和6个定子铁芯用于温度监测。可见，电动机定子结构测温元件的数量在设计和实际运行中可能会有所不同。
在设计阶段，工程师通常会根据理论分析和设计准则来确定温度测量的位置和数量。这些位置通常包括定子绕组和定子铁芯等关键部位，以确保电动机在运行时能够监测到关键区域的温度变化。但是，在实际运行中，泵站可能会根据实际情况和维护需求来选择配置温度测量元件。有时，泵站可能会选择减少测量点的数量，以降低成本或简化维护。这种情况下，可能会将部分测温元件移除或者选择性地使用。
本实施例中，结合泵站实测数据进行温度测点的优化布置，具体的：定子绕组上端沿径向均匀设置3个测温元件，定子绕组中部沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯齿部上端沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯齿部中部沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯轭部上端沿径向均匀设置3个测温元件。
3.为验证本方法的优势，现设计了如下表3的3种布置方式来监测定子结构的温度变化，如图3-5所示。
表3：计算方案的布置方式
| 方案 | 定子绕组测温元件数量 | 定子铁芯测温元件数量 |
| 1 | 9个(上中下均匀布置) | 9个(上中下均匀布置) |
| 2 | 6个(上端3个，中部3个) | 9个(齿部3个，轭部3个，中部3个) |
| 3 | 6个(中部均匀设置) | 6个(中部均匀设置) |
按前述步骤求解各方案下的温度变化趋势，如图6所示，可以看出，可以看出，定子结构的温度分布在30℃-50℃区间。方案3的布置方式无法反映40℃-50℃之间的温度变化，监测的温度信息不充分。方案1的布置方式监测的温度信息涉及上中间的位置，较为充分，但是上下位置温度分布值较为接近，上下都布置测点容易浪费经济成本，增加维护成本。而方案2是最优的布置选择。方案2的测点数量满足设计手册中的要求，更能全面地捕捉到定子结构的温度变化。在以往的研究中，测点布置数量较多，成本较高，维护频繁困难。方案2设计的布置方式不仅符合温度变化规律，还满足设计工程师的要求，克服了以上缺点。为今后高原地区电动机测点布置的研究提供了思路和参考。方案2更加关注和重点监测定子中的关键热点区域，比如定子铁芯的齿部。对于温度变化不大的区域减少测温元件数量，比如定子绕组的上下部分，从而能降低维护成本。
4.为验证压强参数对于计算结果的影响，分别在69kpa、101.325kpa工作压强下对于温度分布进行仿真，如图7、8所示，数据如下表4所示，可知在不同气压下电机温度温度有较大差异，根据环境气压来计算更符合电机的实际情况，可使计算更为精准。
表4
| 压强 | 环境温度 | 转速 | 电机温度 | |
| 1 | 69kpa | 15℃ | 600r/min | 52.51℃ |
| 2 | 69kpa | 10℃ | 600r/min | 39.31℃ |
| 3 | 101.325kpa | 15℃ | 600r/min | 43.91℃ |
| 4 | 101.325kpa | 10℃ | 600r/min | 33.53℃ |
以上应用了不同个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明专利的较佳实施例而已，并不用以限制本发明专利，凡在本发明专利的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (4)
1.一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.基于电动机的实际尺寸建议三维模型，选取电动机的1/5作为计算域，通过网格划分，将其导入仿真软件中进行有限元分析，得到高原地区下电动机定子结构的温度分布规律；
S2.根据步骤S1中得到的温度分布规律，结合泵站实测数据进行温度测点的优化布置，具体的：定子绕组上端沿径向均匀设置3个测温元件，定子绕组中部沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯齿部上端沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯齿部中部沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯轭部上端沿径向均匀设置3个测温元件。
2.根据权利要求1所述的一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法，其特征在于：所述步骤S1的具体步骤如下：
S101.运用机械设计软件对高原泵站的电动机建立三维有限元模型并对其结构做合理简化，选取电动机的五分之一为求解计算域，提前对各个部件和流体域进行命名，以便软件识别和赋予属性；
S102.运用流体前处理工具对电动机五分之一模型进行网格划分，为了减小截断误差并获得更好的收敛性，生成网格时采用多面体形式；设置网格最小尺寸2mm和最大尺寸60mm，自动生成网格；分析网格单元数量、最小正交质量、纵横比和偏斜度，判断其是否满足计算要求；
S103.将网格文件导入求解器中采用coupled开始双精度数值仿真求解，计算规定的步数之后，得到定子结构温度场。
3.根据权利要求2所述的一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法，其特征在于：所述步骤S103中求解器的单元区域条件下的工作压力根据高原地区具体气压进行设置。
4.根据权利要求1所述的一种高原地区电动机定子测温元件优化布置的方法，其特征在于：所述步骤S2的具体步骤如下：
S201.求解计算得到电动机定子结构整体的温度分布规律：定子绕组上下端部温度处于同一范围，上下温度分布对称；定子绕组中部温度低于上下两端，定子绕组中部RegionⅠ温度高于周围；定子铁芯齿部温度高于轭部，垂直方向上的温度分布呈周期性，定子铁芯Region II温度低；
S202.结合泵站实测数据进行温度测点的优化布置，具体的：定子绕组上端沿径向均匀设置3个测温元件，定子绕组中部沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯齿部上端沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯齿部中部沿径向均匀设置3个测温元件，定子铁芯轭部上端沿径向均匀设置3个测温元件。
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2023
- 2023-10-13 CN CN202311327099.1A patent/CN117332652A/zh active Pending
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