1　引言
　　电机内的各种物理场是相互影响、相互制约的，是有一定耦合关系的综合场。就电机部件内温度及其分布而言，除了其自身的材料性质之外，主要依赖于热源和电机通风情况。一般孤立地求解电机内温度场而不考虑它们之间的相互影响，这将由于初始条件的变化而使计算结果失去准确性。因而要想准确地计算出电机的温度分布，就必须将这些因素的相互影响在计算时加以综合考虑。
2　综合计算的总体思路及整体流程图
　　电机内部的通风与温度场是通过对流换热的方式联系在一起的。文中转子三维温度场计算采用有限元计算方法、电机通风计算采用通风网络法。温度对热源的影响反映在电损耗上，由于材料的电阻率是温度的函数，因而电损耗也是温度的函数。这个影响很容易计及，只需对温度场几次迭代计算就可以实现。温度对材料导热系数的影响同样处理。具体的实施过程如图1所示。
3　大型水轮发电机通风计算
　　电机通风冷却系统的通风计算，理论上可以通过求解N－S方程及流体连续性方程，求解系统内冷却空气的三元流动问题，但实际上由于系统内冷却空气的过流情况十分复杂，边界条件不易确定，所以一般都化为带有集中参数的等值风路求解。本文以网络矩阵法对漫湾电站SF250－48／12 200水轮发电机做了通风计算。该电机的通风系统采用转子供风、密闭自循环、双路径向通风方式。将其通风冷却系统内各个流道的基本等值风路组合起来，建立通风计算网络示于图2。该通风计算网络由76个节点、145个等效支路及70个回路构成。

　　应用回路流量法，可列出方程组：　　

式中　X＝［x₁，x₂，…，x_m］^T是回路流量矢量；A是函数风阻矩阵；F为风压升矢量，等于回路i中各个风扇风压升的代数和。
　　表1列出部分支路风速的计算结果，并给出了实测值（来源于漫湾电站SF250－48／12200型水轮发电机现场测试报告）及误差。
4　大型水轮发电机转子温度场计算
　　对于大型水轮发电机转子温度场的计算，目前国内所采用的剖分单元都为正三棱柱单元，剖分时无法准确描述励磁绕组端部的圆弧部分，会对计算结果带来误差；同时，所选定的计算区域都未包括转子磁轭，而是将磁轭与磁极的交界面作为绝热面处理，忽略了两者间的热传递。本文转子温度场求解区域包括了转子磁轭和励磁绕组端部的圆弧部分，并用六面体等参元及其退化的五面体对求解区域剖分，整体剖分图见图3。
4．1　温度场计算区域表面散热系数计算

    大型水轮发电机通风发热综合计算是通过温度场计算区域表面散热系数作为媒介连接起来的，因而正确地描述出表面散热系数与各部分风速的关系是十分重要的。本文借用了文［1］［2］给出的部分表面散热系数的计算方法；对于没有现成计算方法的表面散热系数，本文将依据流体力学和传热学理论推导出相应的计算公式。　

    （1）转子轭部表面和磁轭通风道内表面散热系数
　　以往在大型水轮发电机转子温度场计算中，所选定的计算区域都未包括转子磁轭，因此转子轭部区域表面散热系数没有现成计算方法。本文根据外层壁换热理论推导出了相应的计算公式^［4］。
    转子轭部表面散热系数的计算式为　　

式中　斯坦顿数的表达式为

式中　u_δ为气隙平均风速。
    （3）励磁绕组表面散热系数
　　文［1］通过整体通风散热模型的测试得到大量实测数据，对这些实测数据做数学拟合处理后，得到不同入风角、不同位置的励磁绕组表面散热系数计算公式。本文通过对这些计算公式进行插值求得表面单元散热系数。
4．2　材料特性及热传导方程
　　在求解区域内共有8种媒质：转子磁极、阻尼条、励磁绕组、磁极压板、上下托板、极身绝缘、阻尼环和转子磁轭。其中：由于匝间绝缘的影响归算到了其径向导热系数中，励磁绕组径向（y轴）导热系数比周向（x轴）和轴向（z轴）的导热系数要小得多，为热的各向异性媒质；转子磁极和转子磁轭的轴向导热系数比叠片方向的导热系数亦要小，也为热的各向异性媒质；其他5种导热媒质中，由于各方向导热系数差别很小，均为热的各向同性媒质。在这些媒质内，满足热传导方程：

式中　k_{1 x}、k_{1 y}和k_{1 z}表示励磁绕组在x、y、z方向上的导热系数；k_{2 x}、k_{2 y}、k_{2 z}和k_{3 x}、k_3y、k_3z分别为转子磁极和转子磁轭在x、y、z方向上的导热系数。
4．3　温度场的求解
　　本文在求解转子三维温度场过程中，使用了六面体等参元来离散计算区域，这样不仅在理论上可提高单元内部的插值精度，也可以采用任意形状的六面体来逼近转子端部的圆弧部分以及励磁绕组七边形导体的边缘部分，表2给出了各测点温度计算结果与实测值的对比。
　　

5  结论

    本文主要以漫湾电厂SF250-48/12 200大型水轮发电机为模型机，重点研究大型水轮发电机转子三维温度场及通风的计算问题，得出如下结论：
　　（1）在综合考虑通风系统及转子温度场的求解区域的同时，分别建立了通风网络计算模型、三维温度场计算模型，并编制了相应的计算软件。通过对模型机的试算，计算结果与实测值基本吻合，说明数学模型准确，软件无误，该软件可用于工程实际。

    （2）除了部分借用参考文献上现有成熟的计算公式外，本文推导出温度场计算区域尚无成形方法的表面散热系数计算公式，并实现了通风发热的综合计算。计算表明，采用推导公式比工厂中惯用的公式计算的表面散热系数结果更接近实际情况。

　　（3）首次使用了六面体等参元来离散计算区域对转子三维温度场的求解，不仅在理论上可提高单元内部的插值精度，也可以采用任意形状的六面体来逼近转子端部的圆弧部分以及励磁绕组七边型导体的边缘部分，使计算结果更加准确。
　　（4）本文首次将转子磁轭作为转子三维温度场计算区域的一部分，而不是将磁极和磁轭交界面作为绝热面来处理，使计算结果更加切合实际。计算结果表明，大型水轮发电机转子磁轭可近似认为是一个等温体。因此，忽略转子磁极向转子磁轭的热传递将会使计算产生较大误差。但在对转子磁极温度场进行工程计算时，可将转子磁极与磁轭的交界面近似认为等温面，作为第1类边界条件处理。