一种求解大型电机定转子通风沟表面散热系数的方法

摘要

本发明涉及一种求解大型电机定转子通风沟表面散热系数的方法，包括如下步骤：(1)建立大型电机的二维瞬态电磁场求解模型，计算出大型电机定转子各部件的损耗；(2)建立该大型电机定转子直线段部分的三维稳态温度场求解模型；(3)计算大型电机定转子径向通风沟表面散热系数，并将其作为通风沟初始表面散热系数；(4)在步骤(1)、步骤(3)的基础上，对步骤(2)中建立的大型电机定转子直线段部分的三维稳态温度场求解模型进行迭代计算，得到最终的定转子径向通风沟表面散热系数。本发明所述的方法，实现精确确定定转子通风沟表面散热系数，从而准确计算铁心温升。

说明书

技术领域

本发明涉及电机技术领域，具体说是一种求解大型电机定转子通 风沟表面散热系数的方法。所述定转子通风沟指定转子径向通风沟。

背景技术

在具有轴径向通风系统的大中型电机中，定转子径向通风沟风速 和表面散热系数对电机的定转子的温升影响较大，而定转子径向通风 沟(简称为通风沟)的气流和传热是在非常复杂的情况下进行的。

由于通风沟表面粗糙、入口较陡、弯曲截面非常短且有突变，再 加上旋转的转子通风沟所产生的离心力和科里奥力，故从转子流入定 子的空气气流是没有规律的，在通风沟内构成复杂的热交换边界条 件。

正是由于通风沟内空气流动状态的复杂性，目前，大型电机的定 转子通风沟表面散热系数的计算仍然由经验公式给出，如何准确确定 定转子通风沟表面散热系数成为准确计算铁心温升的一大关键。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种求解大 型电机定转子通风沟表面散热系数的方法，实现精确确定定转子通风 沟表面散热系数，从而准确计算铁心温升。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

一种求解大型电机定转子通风沟表面散热系数的方法，其特征在 于，包括如下步骤：

(1)根据大型电机的实际结构、尺寸、额定数据等已知参数， 建立该大型电机的二维瞬态电磁场求解模型，对整个二维瞬态电磁场 求解模型进行网格划分，计算出大型电机定转子各部件的基本损耗；

(2)根据《电工专业指导性技术文件(汽轮发电机电磁计算公 式)》的解析方法与瞬态电磁场相结合的方法计算出大型电机定转子 各部件的谐波损耗；

(3)根据大型电机定转子的直线段部分的实际尺寸，建立该大 型电机定转子直线段部分的三维稳态温度场求解模型；

(4)根据流体相似理论及牛顿放热定律，采用解析方法计算出 大型电机定转子径向通风沟表面散热系数，并将该表面散热系数作为 大型电机定转子直线段部分的三维稳态温度场求解模型的初始值，即 通风沟初始表面散热系数；

(5)在步骤(1)、(2)计算出大型电机定转子各部件的基本损 耗和谐波损耗、步骤(4)计算出通风沟初始表面散热系数的基础上， 对步骤(3)中建立的大型电机定转子直线段部分的三维稳态温度场 求解模型进行迭代计算，得到最终的定转子径向通风沟表面散热系 数。

在上述技术方案的基础上，步骤(1)中，二维瞬态电磁场求解 模型包括：定子铁心1，定子线圈2，定子槽楔3，气隙4，转子槽楔 5，励磁绕组6，副槽7，转子铁心8，阻尼绕组9以及包含计算模型 的空气域。

在上述技术方案的基础上，步骤(1)中，二维瞬态电磁场求解 模型如下：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\partial }{\partial x}(\frac{1}{\mu }·\frac{\partial A_z}{\partial x})+\frac{\partial }{\partial y}(\frac{1}{\mu }·\frac{\partial A_z}{\partial y})=-J_z+\sigma \frac{\partial A_z}{\partial t}\\ A_z=0\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中：σ为电导率(S/m)；μ为磁导率(H/m)；t为时间(s)；J_z为 电密的轴向分量；Az为矢量磁位(Wb/m)，只有z轴分量。

在上述技术方案的基础上，步骤(1)中，计算出大型电机定转 子各部件的基本损耗具体包括至少以下三项：

三相定子绕组中基本铜损，

转子励磁线圈损耗，

电机内定转子铁心的基本铁损。

在上述技术方案的基础上，步骤(2)中，计算出大型电机定转 子各部件的谐波损耗具体包括至少以下五项：

转子磁场高次谐波在定子表面产生的损耗，

转子齿谐波在定子表面产生的损耗，

转子齿谐波在定子齿中产生的脉动损耗，

定子磁场高次谐波在转子表面产生的损耗，

定子齿谐波在转子表面产生的损耗。

在上述技术方案的基础上，步骤(3)中，大型电机定转子直线 段部分的三维稳态温度场求解模型分为定子部分求解模型和转子部 分求解模型，包括：定子铁心1，定子线圈2，定子槽楔3，气隙4， 转子槽楔5，励磁绕组6，副槽7，转子铁心8，阻尼绕组9，定子径 向通风沟10，转子径向通风沟11。

在上述技术方案的基础上，步骤(3)中，大型电机定转子直线 段部分的三维稳态温度场求解模型如下：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\partial }{\partial x}\left({\lambda }_x\frac{\partial T}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left({\lambda }_y\frac{\partial T}{\partial y}\right)+\frac{\partial }{\partial z}\left({\lambda }_z\frac{\partial T}{\partial z}\right)=-q\\ T(x,y,z){|}_{s_1}=T_1\\ \alpha (T-T_f){|}_{s_2}=-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，T为物体的温度；λ_x、λ_y、λ_z分别为x、y、z方向的导热 系数；q为热源的发热密度；α为S₂表面散热系数；S₁、S₂分别为发热 体的边界面，T_f为环境温度，T₁为S₁面上给定温度。

在上述技术方案的基础上，步骤(4)的具体步骤为：

步骤4.1，根据流体相似理论，得到流体呈紊流状态下径向通风 沟内流体满足的相似准则方程：

$\left(\begin{array}{c}{R}_e=\frac{\upsilon d}{v}\\ N_u=\frac{\alpha d}{\lambda }\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中，Re为流体的雷诺系数；υ为径向通风沟内流体的流速 (m/s)；v为流体的粘度系数(s/m²)；d为径向通风沟等效直径(m)； Nu为努谢尔数；λ为流体的导热系数(W/(m·K))，α为表面散热系数 (W/(m²·K))；

步骤4.2，当流体在径向通风沟内呈紊流运动时，努谢尔数相似 准则方程与其他相似准则方程之间具有如下形式：

$N_u=0.023R_e^{0.8}{P}_{r\left(CT\right)}^{04}{\left(\frac{P_{r\left(CP\right)}}{P_{r\left(CT\right)}}\right)}^{0.25}ϵ---\left(4\right)$

式中，Pr(CP)为通风沟内流体平均温度所对应的普朗特数；Pr (CT)为通风沟内壁面温度所对应的普朗特数；ε为修正系数；

步骤4.3，将式(3)、(4)联立，得到径向通风沟内流体在紊流 状态下的初始表面散热系数：

$\alpha =0.023R_e^{0.8}{P}_{r\left(CT\right)}^{0.4}ϵ\frac{\lambda }{d}---\left(5\right).$

在上述技术方案的基础上，步骤(5)的具体步骤为：

步骤5.1，根据步骤(4)得到的通风沟初始表面散热系数，获 取定转子铁心温度；

步骤5.2，确定大型电机定转子径向通风沟表面散热系数及定转 子铁心温度的收敛条件；

确定大型电机定转子径向通风沟表面散热系数的具体步骤如下：

由通风沟初始表面散热系数与定转子铁心温度之间的非线性关 系，根据牛顿放热定律，当物体表面与周围存在温度差时，单位时间 从单位面积散失的热量与温度差成正比，得到计算定转子铁心温度计 算公式：

$\lambda \frac{\partial T}{\partial n}{|}_{\Gamma }=-\alpha (T-T_f)---\left(6\right)$

由于散热系数与电机铁心温度之间的非线性关系，因此对通风沟 表面的散热系数，可得：

$\left(\begin{array}{c}\alpha =\frac{\lambda (T_2-T_1)}{(X_1-X_2)(T_1-T_f)}\\ {\alpha }_i={\alpha }_i^{\prime }+\beta (\frac{{\alpha }_{i-1}^{\prime }+{\alpha }_{i\mathrm{+1}}^{\prime }}{2}-{\alpha }_i^{\prime })\end{array}\right)---\left(7\right)$

式中，T₁为定转子靠近边界面外侧表面温度值；T₂为定转子内侧 的温度值；T_f为环境温度值，单位为(K)；X₁为定子靠近边界面外 侧表面节点横坐标值；X₂为定子内表面节点横坐标值；α′_i为第i个节 点的散热系数近似值；α′_i+1为第i-1个节点的散热系数近似值；α′_i+1为 第i+1个节点的散热系数近似值；α_i为第i个节点的散热系数修正值； β为松弛因子；

确定定转子铁心温度的收敛条件的具体步骤如下：

所述通风沟表面散热系数及定转子铁心温度的收敛条件为：

$\left|\frac{T_w-T_s}{T_s}\right|\le {ϵ}_1---\left(8\right)$

$\left|\frac{{\alpha }_{i+1}-{\alpha }_i}{{\alpha }_{i+1}}\right|\le {ϵ}_2---\left(9\right)$

式中：T_s为铁心的实测温度值；T_w为对应此处铁心的计算温度 值；α_i为第i个节点的散热系数；α_i+1为第i+1个节点的散热系数； ε₁和ε₂分别为满足迭代要求的残差；

当迭代结果同时满足收敛条件(8)和(9)时，停止迭代，此时， 根据式(7)计算的到的通风沟表面散热系数即为大型电机额定运行 时通风沟表面散热系数。

本发明所述的求解大型电机定转子通风沟表面散热系数的方法， 与传统方法相比具有以下优点：

1、给出了新方法，通过迭代的方式，将有限元温度场计算与 解析公式相结合；

2、该新方法对通风沟散热系数进行计算，可准确地计算大型 电机定转子通风沟表面散热系数；

3、进一步提高了对大型电机铁心温升计算的精度；

4、该新方法具有计算准确且计算时间短的优点。

本发明所述的求解大型电机定转子通风沟表面散热系数的方法， 以大型汽轮发电机定转子径向通风沟散热系数计算为例，但该方法不 仅仅局限于大型汽轮发电机定转子径向通风沟散热系数的计算，同时 该方法同样适合于任意种类带径向通风结构的大型电机。但是在计算 损耗的过程中，不同电机需要考虑的损耗应该以该电机直线段部分所 需计算风沟所在部位的损耗为准，例如计算转子附槽通风结构散热系 数时需要计算转子部分的附加损耗等，计算永磁电机转子通风沟散热 系数时需要计算永磁体上的涡流损耗等。

附图说明

本发明有如下附图：

图1本发明的流程图。

图2大型电机的二维瞬态电磁场求解模型。

图3大型电机的三维稳态温度场定子部分求解模型。

图4大型电机的三维稳态温度场转子部分求解模型。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的求解(计算)大型电机定转子通风沟 表面散热系数的方法，包括如下步骤：

(1)根据大型电机的实际结构、尺寸、额定数据等已知参数， 建立该大型电机的二维瞬态电磁场求解模型，对整个二维瞬态电磁场 求解模型进行网格划分，计算出大型电机定转子各部件的基本损耗；

求解模型亦可称为数值计算模型；

(2)根据《电工专业指导性技术文件(汽轮发电机电磁计算公 式)》的解析方法与瞬态电磁场相结合的方法计算出大型电机定转子 各部件的谐波损耗；

(3)根据大型电机定转子的直线段部分的实际尺寸，建立该大 型电机定转子直线段部分的三维稳态温度场求解模型；

(4)根据流体相似理论及牛顿放热定律，采用解析方法计算出 大型电机定转子径向通风沟表面散热系数，并将该表面散热系数作为 大型电机定转子直线段部分的三维稳态温度场求解模型的初始值，即 通风沟初始表面散热系数；

(5)在步骤(1)、(2)计算出大型电机定转子各部件的基本损 耗和谐波损耗、步骤(4)计算出通风沟初始表面散热系数的基础上， 对步骤(3)中建立的大型电机定转子直线段部分的三维稳态温度场 求解模型进行迭代计算，得到最终的定转子径向通风沟表面散热系 数。

在上述技术方案的基础上，如图2所示，步骤(1)中，二维瞬 态电磁场求解模型包括：定子铁心1，定子线圈2，定子槽楔3，气 隙4，转子槽楔5，励磁绕组6，副槽7，转子铁心8，阻尼绕组9以 及包含计算模型的空气域。

在上述技术方案的基础上，步骤(1)中，二维瞬态电磁场求解 模型如下：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\partial }{\partial x}(\frac{1}{\mu }·\frac{\partial A_z}{\partial x})+\frac{\partial }{\partial y}(\frac{1}{\mu }·\frac{\partial A_z}{\partial y})=-J_z+\sigma \frac{\partial A_z}{\partial t}\\ A_z=0\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中：σ为电导率(S/m)；μ为磁导率(H/m)；t为时间(s)；J_z为 电密的轴向分量；Az为矢量磁位(Wb/m)，只有z轴分量。

在上述技术方案的基础上，步骤(1)中，计算出大型电机定转 子各部件的基本损耗具体包括至少以下三项：

三相定子绕组中基本铜损，

转子励磁线圈损耗，

电机内定转子铁心的基本铁损。

在上述技术方案的基础上，步骤(2)中，计算出大型电机定转 子各部件的谐波损耗具体包括至少以下五项：

转子磁场高次谐波在定子表面产生的损耗，

转子齿谐波在定子表面产生的损耗，

转子齿谐波在定子齿中产生的脉动损耗，

定子磁场高次谐波在转子表面产生的损耗，

定子齿谐波在转子表面产生的损耗。

在上述技术方案的基础上，如图3、4所示，步骤(3)中，大型 电机定转子直线段部分的三维稳态温度场求解模型分为定子部分求 解模型和转子部分求解模型，包括：定子铁心1，定子线圈2，定子 槽楔3，气隙4，转子槽楔5，励磁绕组6，副槽7，转子铁心8，阻 尼绕组9，定子径向通风沟10，转子径向通风沟11。

在上述技术方案的基础上，步骤(3)中，大型电机定转子直线 段部分的三维稳态温度场求解模型如下：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\partial }{\partial x}\left({\lambda }_x\frac{\partial T}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left({\lambda }_y\frac{\partial T}{\partial y}\right)+\frac{\partial }{\partial z}\left({\lambda }_z\frac{\partial T}{\partial z}\right)=-q\\ T(x,y,z){|}_{s_1}=T_1\\ \alpha (T-T_f){|}_{s_2}=-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，T为物体的温度；λ_x、λ_y、λ_z分别为x、y、z方向的 导热系数；q为热源的发热密度；α为S₂表面散热系数；S₁、S₂分别为 发热体的边界面，T_f为环境温度，T₁为S₁面上给定温度。

在上述技术方案的基础上，步骤(4)的具体步骤为：

步骤4.1，根据流体相似理论，得到流体呈紊流状态下径向通风 沟内流体满足的相似准则方程：

$\left(\begin{array}{c}{R}_e=\frac{\upsilon d}{v}\\ N_u=\frac{\alpha d}{\lambda }\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中，Re为流体的雷诺系数；υ为径向通风沟内流体的流速 (m/s)；v为流体的粘度系数(s/m²)；d为径向通风沟等效直径(m)； Nu为努谢尔数；λ为流体的导热系数(W/(m·K))，α为表面散热系数 (W/(m²·K))；

步骤4.2，当流体在径向通风沟内呈紊流运动时，努谢尔数相似 准则方程与其他相似准则方程之间具有如下形式：

$N_u=0.023R_e^{0.8}{P}_{r\left(CT\right)}^{04}{\left(\frac{P_{r\left(CP\right)}}{P_{r\left(CT\right)}}\right)}^{0.25}ϵ---\left(4\right)$

式中，Pr(CP)为通风沟内流体平均温度所对应的普朗特数；Pr (CT)为通风沟内壁面温度所对应的普朗特数；ε为修正系数；

步骤4.3，将式(3)、(4)联立，得到径向通风沟内流体在紊流 状态下的初始表面散热系数：

$\alpha =0.023R_e^{0.8}{P}_{r\left(CT\right)}^{0.4}ϵ\frac{\lambda }{d}---\left(5\right).$

在上述技术方案的基础上，步骤(5)的具体步骤为：

步骤5.1，根据步骤(4)得到的通风沟初始表面散热系数，获 取定转子铁心温度；

步骤5.2，确定大型电机定转子径向通风沟表面散热系数及定转 子铁心温度的收敛条件；

确定大型电机定转子径向通风沟表面散热系数的具体步骤如下：

由通风沟初始表面散热系数与定转子铁心温度之间的非线性关 系，根据牛顿放热定律，当物体表面与周围存在温度差时，单位时间 从单位面积散失的热量与温度差成正比，得到计算定转子铁心温度计 算公式：

$\lambda \frac{\partial T}{\partial n}{|}_{\Gamma }=-\alpha (T-T_f)---\left(6\right)$

由于散热系数与电机铁心温度之间的非线性关系，因此对通风沟 表面的散热系数，可得：

$\left(\begin{array}{c}\alpha =\frac{\lambda (T_2-T_1)}{(X_1-X_2)(T_1-T_f)}\\ {\alpha }_i={\alpha }_i^{\prime }+\beta (\frac{{\alpha }_{i-1}^{\prime }+{\alpha }_{i\mathrm{+1}}^{\prime }}{2}-{\alpha }_i^{\prime })\end{array}\right)---\left(7\right)$

式中，T₁为定转子靠近边界面外侧表面温度值；T₂为定转子内侧 的温度值；T_f为环境温度值，单位为(K)；X₁为定子靠近边界面外 侧表面节点横坐标值；X₂为定子内表面节点横坐标值；α′_i为第i个节 点的散热系数近似值；α′_i+1为第i-1个节点的散热系数近似值；α′_i+1为 第i+1个节点的散热系数近似值；α_i为第i个节点的散热系数修正值； β为松弛因子；

确定定转子铁心温度的收敛条件的具体步骤如下：

所述通风沟表面散热系数及定转子铁心温度的收敛条件为：

$\left|\frac{T_w-T_s}{T_s}\right|\le {ϵ}_1---\left(8\right)$

$\left|\frac{{\alpha }_{i+1}-{\alpha }_i}{{\alpha }_{i+1}}\right|\le {ϵ}_2---\left(9\right)$

式中：T_s为铁心的实测温度值；T_w为对应此处铁心的计算温度 值；α_i为第i个节点的散热系数；α_i+1为第i+1个节点的散热系数； ε₁和ε₂分别为满足迭代要求的残差；

当迭代结果同时满足收敛条件(8)和(9)时，停止迭代，此时， 根据式(7)计算的到的通风沟表面散热系数即为大型电机额定运行 时通风沟表面散热系数。

本发明所述的求解方法是为了解决现有大型电机在进行温度场 计算时，需要准确确定大型电机定转子表面散热系数大小的问题。本 发明基于流体相似理论和牛顿放热定律，根据解析方法与二维瞬态电 磁场与三维稳态温度场相结合的数值计算方法，在计算出大型电机定 转子通风沟初始散热系数情况下，通过一系列数学迭代方法，求解出 大型电机温度场分布情况，并与实测温度值进行比较，最终得到满足 工程要求精度的散热系数。该方法有收敛速度快，计算量小的显著优 势。为确定定转子通风沟散热系数分布的求解方法，提供了新的科学 思路。

为了更清楚地说明本发明，以大型汽轮发电机定子径向通风沟表 面散热系数计算为例，对本发明作进一步详细说明。

步骤1，根据大型电机的实际结构和尺寸，建立了大型电机的二 维瞬态电磁场求解模型(数值计算模型)，二维瞬态电磁场数值计算 模型包括：定子铁心1，定子线圈2，定子槽楔3，气隙4，转子槽楔 5，励磁绕组6，副槽7，转子铁心8，阻尼绕组9以及包含计算模型 的空气域。

根据二维瞬态电磁场中各个部件的实际尺寸及对计算量和计算 时间的考虑，确定了各个部件关键剖分区域以及最小划分网格尺寸 后，对整个二维瞬态电磁场计算模型进行了网格划分。

通过对瞬态电磁场数学方程(1-1)-(1-9)的求解，确定了定子 绕组铜损、铁心部分的涡流损耗、大型电机存在的定子表面损耗及各 部分的附加损耗等各部分的损耗值；

$\left(\begin{array}{c}\frac{\partial }{\partial x}(\frac{1}{\mu }·\frac{\partial A_z}{\partial x})+\frac{\partial }{\partial y}(\frac{1}{\mu }·\frac{\partial A_z}{\partial y})=-J_z+\sigma \frac{\partial A_z}{\partial t}\\ A_z=0\end{array}\right)---\left(1\right)$

式中：σ为电导率(S/m)；μ为磁导率(H/m)；t为时间(s)；J_z为 轴向上的电密分量；Az为矢量磁位(Wb/m)，只有z轴分量。

1三相定子绕组中基本铜损采用如下公式计算：

其中，为定子相电流，R₍₇₅₎为75°时定子每相电阻。

2额定负载情况下转子励磁线圈损耗采用如下公式计算：

当采用有刷励磁时：$\begin{array}{cc}{Q}_{f\left(75\right)}=\frac{I_{fN}^2{R}_{2\left(75\right)}+2I_{fN}}{{\eta }_f}\times {10}^{-3}& \left(kW\right)\end{array}---(1-2)$

当采用无刷励磁时：$\begin{array}{cc}{Q}_{f\left(75\right)}=(I_{fN}^2{R}_{2\left(75\right)}+2I_{fN})\times {10}^{-3}& \left(kW\right)\end{array}---(1-3)$

其中，I_fN为负载励磁电流，R₂₍₇₅₎为75°时每对极绕组电阻， η_f为励磁机的效率。

3转子磁场高次谐波在定子表面产生的损耗采用如下公式计算：

式中，为转子磁场高次谐波在定子表面产生损 耗的计算系数，AW_o为空载额定电压时每极的总磁动势，K_δ为总的气 隙系数，δ是气隙实际长度，D_i为定子铁心内径，p为电机极对数，ρ 为电阻率，Z₁为定子槽数。

4转子齿谐波在定子表面产生的损耗采用如下公式计算：

$Q_{lzo}=K_1\left[\frac{{\mathrm{AW}}_o}{K_{\delta }\delta \times {10}^3}\right]\frac{D_i^3}{p^2}{l}_{ef}{\left(\frac{f}{50}\right)}^{1.5}\times {10}^{-12}(kW1-5)$

其中，为转子齿谐波在定子表面产生损耗的计算系 数，G_Fez为定子齿部质量，Z′₂为转子槽分度数。

5转子齿谐波在定子齿中产生的脉动损耗采用如下公式计算：

$\left(\begin{array}{cc}{Q}_{ZZK}=K_2{\left[\frac{{\mathrm{AW}}_K}{K_{ϵ}\delta \times {10}^3}\right]}^2\frac{G_{FeZ}}{p^{0.5}}{l}_{ef}{\left(\frac{f}{50}\right)}^{1.5}\times {10}^{-12}& (kW1-6)\end{array}\right)$

其中，为转子齿谐波在定子齿中产生的脉动损耗 的计算系数。

6定子磁场高次谐波在转子表面产生的损耗采用如下公式计算：

其中，l₂为转子本体长，S₁为铁心外圆面积，

7定子齿谐波在转子表面产生的损耗采用如下公式计算：

其中，为定子齿谐波在转子表面产生的损耗的 计算系数，t₁为定子齿距，

8电机内部产生的基本铁损采用如下公式计算：

p_Fe＝p_h+p_c＝k_hfB²+k_c(fB)²(1-9)

p_Fe为单位铁心损耗；p_h为单位磁滞损耗；p_c为单位涡流损耗； k_h为磁滞损耗系数；k_c为涡流损耗系数；f为电机运行频率；B为 正弦磁密幅值。

步骤2，对大型电机定转子直线段部分建立三维稳态温度场数值 计算模型，该计算模型以定子计算模型部分为例，定子计算模型部分 包含了定子铁心1，定子线圈2，定子槽楔3，气隙4，定子径向通风 沟10。根据定子上轴径向通风沟的实际尺寸、位置及数量，确定了 各个通风沟所有边上的网格节点数后对三维电机直线段定子表面散 热系数的计算模型进行网格剖分，；

所述步骤2中计算电机定转子直线段部分三维稳态温度场数学 模型如下：

$\left(\begin{array}{c}\frac{\partial }{\partial x}\left({\lambda }_x\frac{\partial T}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left({\lambda }_y\frac{\partial T}{\partial y}\right)+\frac{\partial }{\partial z}\left({\lambda }_z\frac{\partial T}{\partial z}\right)=-q\\ T(x,y,z){|}_{s_1}=T_1\\ \alpha (T-T_f){|}_{s_2}=-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}\end{array}\right)---\left(2\right)$

式中，T为求解域内温度；λ_x、λ_y、λ_z分别为x、y、z方向的 导热系数；q为热源的发热密度；α为S₂表面散热系数；S₁、S₂分别为 发热体的边界面，T_f为环境温度，T₁为S₁面上给定温度。

步骤3，根据流体相似理论及牛顿放热定律计算得到通风沟初始 表面散热系数。

根据流体相似理论得到流体呈紊流状态下定子径向通风沟内流 体满足的相似准则方程：

$\left(\begin{array}{c}{R}_e=\frac{\upsilon d}{v}\\ N_u=\frac{\alpha d}{\lambda }\end{array}\right)---\left(3\right)$

式中，Re为流体的雷诺系数；υ为径向通风沟内流体的流速 (m/s)；v为流体的粘度系数(s/m²)；d为径向通风沟等效直径(m)； Nu为努谢尔数；λ为流体的导热系数(W/(m·K))，α为表面散热系数 (W/(m²·K))。

当流体在径向通风沟内呈紊流运动时，努谢尔数相似准则方程与 其他相似准则方程之间具有如下形式：

$N_u=0.023R_e^{0.8}{P}_{r\left(CT\right)}^{0.4}{\left(\frac{P_{r\left(CP\right)}}{P_{r\left(CT\right)}}\right)}^{0.25}ϵ---\left(4\right)$

式中Pr(CP)为通风沟内流体平均温度所对应的普朗特数；Pr (CT)为通风沟内壁面温度所对应的普朗特数；ε为修正系数。

考虑到在径向通风沟内流体的物性参数受温度变化的影响很小， 将式(3)、(4)联立，得到通风沟内流体在紊流状态下的初始表面散 热系数：

$\alpha =0.023R_e^{0.8}{P}_{r\left(CT\right)}^{0.4}ϵ\frac{\lambda }{d}---\left(5\right)$

步骤4，根据步骤1中确定的大型发电机定转子各个部分的损耗 分、步骤3中确定的大型发电机定转子径向通风沟初始表面散热系数 的基础上，对步骤2中建立的大型电机定转子直线段部分三维稳态温 度场模型进行迭代计算，得到最终的定转子径向通风沟表面散热系 数。

确定定子铁心温度的收敛条件，获取定子铁心温度，得到计算定 子铁心温度计算公式

$\lambda \frac{\partial T}{\partial n}{|}_{\Gamma }=-\alpha (T-T_f)---\left(6\right);$

根据散热系数与电机铁心温度之间的非线性关系，可得：

$\left(\begin{array}{c}\alpha =\frac{\lambda (T_2-T_1)}{(X_1-X_2)(T_1-T_f)}\\ {\alpha }_i={\alpha }_i^{\prime }+\beta (\frac{{\alpha }_{i-1}^{\prime }+{\alpha }_{i\mathrm{+1}}^{\prime }}{2}-{\alpha }_i^{\prime })\end{array}\right)---\left(7\right)$

式中，T₁为定转子靠近边界面外侧表面温度值；T₂为定转子内侧 的温度值；T_f为环境温度值，单位为(K)；X₁为定子靠近边界面外侧 表面节点横坐标值；X₂为定子内表面节点横坐标值；α′_i为第i个节 点的散热系数近似值；α′_i-1为第i-1个节点的散热系数近似值；α′_i+1为 第i+1个节点的散热系数近似值；α_i为第i个节点的散热系数修正值； β为松弛因子。

为了能够更快的收敛和求得更为准确的定子通风沟表面散热系 数，通风沟表面网格节点的环境温度按照整个叠片段区域流体流体温 度的近似线型分布进行赋值，然后求解非线性方程组。常用的求解方 法有牛顿拉佛逊迭代法和欠松弛迭代法。采用欠松弛方法迭代，β取 为0.8求解非线性方程组。当收敛条件同时满足式(8)-(9)中两个 条件时停止迭代。

$\left|\frac{T_w-T_s}{T_s}\right|\le {ϵ}_1---\left(8\right)$

$\left|\frac{{\alpha }_{i+1}-{\alpha }_i}{{\alpha }_{i+1}}\right|\le {ϵ}_2---\left(9\right)$

式中：T_s为铁心的实测温度值；T_w为对应此处铁心的计算温度 值；α_i为第i个节点的散热系数；α_i+1为第i+1个节点的散热系数； ε₁和ε₂分别为满足迭代要求的残差；

当迭代结果同时满足收敛条件(8)和(9)时，停止迭代，此时， 根据式(7)计算的到的通风沟表面散热系数即为大型电机额定运行 时通风沟表面散热系数。

迭代过程中定转子的铁心温度可按照如下公式进行计算：

$\frac{\partial }{\partial x}\left({\lambda }_x\frac{\partial T}{\partial x}\right)+\frac{\partial }{\partial y}\left({\lambda }_y\frac{\partial T}{\partial y}\right)+\frac{\partial }{\partial z}\left({\lambda }_z\frac{\partial T}{\partial z}\right)=-q---\left(10\right)$

式中，T为物体的温度；λx、λy、λz分别为x、y、z方向的导热 系数；q为热源的发热密度。

若发热体的边界面S由S1和S2两部分组成，则S1和S2上的 边界条件分别为：

$\left(\begin{array}{c}T(x,y,z){|}_{s_1}=T_1\\ \alpha (T-T_f){|}_{s_2}=-\lambda \frac{\partial T}{\partial n}\end{array}\right)---\left(11\right)$

式中T1为S₁面上的给定温度；Tf为环境温度；α为S₂面上的散 热系数。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清除说明本发明所做的一 种可能性举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域 的普通技术人员来说，在上述说明的基础上，本发明还可以用于电机 其他带有通风结构的部位的通风沟散热系数的计算以及不同类型带 有通风结构的大中型电机的通风沟散热系数的计算。这里无法对所有 的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易 见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之内。

本说明书中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。