(ABB高压电机有限公司 上海市 200240)
摘要:钻井感应电机作为钻井系统中的重要设备，其运行的可靠性直接影响了钻井系统的稳定性和经济性。电机温升对于电机意义重大，严重的发热和不良的散热都将极大危害电机寿命和可靠性。尤其对于钻井电机而言，一旦因为温升高而造成停机，将产生巨大的经济损失。因此电机的温升研究与优化具有重要意义。
关键词：钻井电机、传热学、通风结构
电机温升研究现状
由于电机严格来说并不是均质物体，且电机空间各点的温升值要测量准确很困难，因此对电机温度场的研究就显得尤为重要。电机的温度场与电磁场、流体场、应力场相互耦合、相互影响，如流体场直接影响电机的散热系数，进而影响电机温度场的分布，温度场反过来又影响电机中气体的流速。所以对电机各种物理量进行耦合研究，可以得出电机内部温度场的变化规律以及各场间的相互关系。
传热学基本原理
电机中热量传播过程的物理情况虽然十分复杂，加上制造工艺上一些不稳定因素的影响，以致很难准确进行电机的发热计算；但电机中由损耗产生的热量，一般总先由发热体内部借传导作用传到发热体表面，然后再通过对流和辐射作用散到周围介质中去。因此从讨论传导、对流和辐射三种传热方式的基本规律中，应能寻求对发热体的某些近似温升计算方法。
对流和辐射散热
一般在平静的大气中，由辐射散发的热量约占总散热量的40%。当采用强制对流来冷却电机时，由强制对流散走的热量要比由辐射带走的大得多，故后者常被略去不计。
当固体表面的温度与流体的温度不相等时，它们之间产生热交换，热量将由高温物体传向低温物体。这种热交换实际上是传导和对流两种作用，但总称为对流换热。在电机中，铁心、绕组或其他发热部件中产生的热量便是由流过这些部件的某一或某些表面的冷却流体（空气、氢气、水、油等）所带走，因此对流散热形式在电机冷却系统中广泛存在。这种散热形式的散热能力，主要取决于流体在固体表面上的运动状态。当流体作层流运动时，流体仅有平行于固体表面的流动。若将流体分成许多平行于固体表面的流动层，各层之间没有流体的交换；这时在与固体表面垂直的方向，热量的传递主要依靠传导作用。由于流体的热导率较小，所以层流时的固体表面的散热情况很差。当流体作紊流运动时，流体各部分不再保持平行于固体表面的运动，而以平均流速向各方向作无规则的旋涡，这时热量的传递主要依靠对流作用。由于对流传热时的热阻比较小，因此流体作紊流运动时的固体表面的散热能力显著提高。在紊流情况下，靠近固体表面仍然存在着一个层流薄层，但如流体的流速越大，则这个层流层就越薄，表面散热能力就越高。对流散热时，表面散热能力还与冷却介质的物理性能以及固体表面的几何形状、尺寸以及它处在流体中的位置等因素有关。
建模部件
电机模型的剖分质量影响计算速度和计算结果的准确性，若电机剖分质量不好，可能导致计算不收敛，无法得出准确结果。
本文采用FLUENT前处理软件GAMBIT对模型进行剖分，计算网格按网格点之间的邻近关系可以分为结构网格、非结构网格和混合网格。结构网格的网格点之间的邻近关系是有序且规则的，除了边界点外，内部网格点都有相同的邻近网格数，其单元是二维的四边形和三维的六面体。采用结构网格的优点是可以方便地处理边界条件，计算精度高，并且可以采用许多高效隐式算法和多重网格法，计算效率也较高；其缺点是对复杂外形的网格生成比较困难，甚至难以实现，即使生成多块结构网格，块与块之间的界面处理十分复杂，因而在使用上受到限制。非结构网格就是指这种网格单元和节点彼此没有固定的规律可循，其节点分布完全是任意的。其基本思想基于这样的假设：任何空间区域都可以被四面体（三维）或三角形（二维）单元填满，即任何空间区域都可以被以四面体或三角形为单元的网格所划分。非结构网格能够方便地生成复杂外形的网格，能够通过流体场中的大梯度区域自适应来提高对间断的分辨率，并且使得基于非结构网格的网格分区以及并行计算比结构网格更加直接。但是在同等网格数量的情况下，非结构网格比结构网格所需的内存更大、计算周期长，而且同样的区域可能需要更多的网格数。此外，在采用完全非结构网格时，因为网格分布各向同性，会给计算结果的精度带来一定的损失，同时对黏流计算而言，会导致边界层附近的流动分辨率低。混合型网格就是同时含有非结构网格和结构网格，综合了二者的优点。
为了能够准确的计算出电机的流体场，采用结构网格对电机进行剖分，除定子绕组端部和机座之外电机所有网格均为结构网格，由ICEM完成网格建立。为提高网格质量，将电机拆分为转子，定子和机座三部分。
转子模型，转子结构采用轴向和径向通风道的混合通风方式用以改善转子铁心内的散热条件。转子槽内放置鼠笼铜条，两侧焊以短路铜环形成鼠笼整体。转子铁心中含有结构网络，提高温度计算的准确性。
电机风量修正
因为电机防护等级要求为IP44，所以在设计过程中需要增加滤网和百叶窗。为了减少电机的压力损失，所以设计上选用径向风扇。所以IC 36冷却方式下电机的实际风量约为1.9 m3/s，如下图所示。从图1中可以看出，红色曲线代表径向风扇的压力变化，而蓝色曲线代表压降的变化，它们的交点即平衡点，就是电机实际风量所在。
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图1 电机风量
电机温升对于钻井电机的安全运行有着极为重要的影响，一旦温升过高将引起绝缘的损坏和轴承的失效，严重危害电机的生命。通过上述的热路法和CFD分析，可较准确得到电机热量分布，为电机设计的合理性提供参考依据。
影响电机热性能的一重要因素为电机的冷却风路。对于强迫风冷全封闭式钻井感应电机，通风结构的设计非常重要。本章根据电机结构，在一定尺寸限制内给出了一种优化方案，并通过电机试验进行验证，从而实现通风效果上提高电机热性能的目的。
机座底部密封
由于机座内部空间很有限，所以机座底部的密封结构在设计时显得较为紧凑。为使定子获得较高强度和刚度，在定子外围均匀分布焊接定子梁。定子梁和机座底部密封底板相距较近。在此结构条件下，可以计算出热分析结果。从图2绕组温度图中可看出，热分析结果表明，在定子绕组底部存在的高温区域已经超过温度限值，局部最高温度达到了194℃。也就是说此结构设计在冷却效果上是有缺陷的，需要改进。
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图2 绕组温度
机座底部结构的优化设计如图3，将定子梁与机座底板的距离提升至33mm，增加定子梁和机座底板的散热空间。
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图3 机座底部优化设计
总结
本文首先介绍了课题研究背景以及国内外钻井电机研究现状，并就电机温升计算的研究状况做了基本介绍，表明论文的研究意义。
本文采用两种方法计算了钻井感应电机的温度分布。首先是基于热路法，将感应电机搭建了较详细准确的热路模型，通过求解计算出电机稳态和瞬态下的温升结果以及不同风速下的部件温度，为电机运行的温升提供了参考数据。本文也采用了CFD的方法，将电机通过NX软件搭建出三维模型，在ANSYS ICEM中生成流体和固体网格并采用ANSYS Fluent显示分析了冷却回路和温升。详细介绍了电机定子、转子的温升分布，相较于热路法更加全面直观。通过分析发现了电机设计的不足，为改善电机冷却系统的冷却效果，更改了局部的结构设计，并通过CFD的分析，得到电机最高温升部件的温度得以改善的结果。通过对该1500HP的钻井电机进行试验，测得电机在优化后的通风系统下，各部件的温升分布，证明了设计改动的合理性，也验证了前述分析的可靠性，为其他感应电机的温升分析提供参考依据。
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