基于ANSYS永磁無刷電動機的溫度場分析

史忠震,許貞俊,張 宇

(1.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴陽550008;2.貴州省機械工業(yè)學(xué)校,貴陽550001;3.貴州凱敏博機電科技有限公司,貴陽520100)

0 引 言

電機作為動力裝置,是各種機械設(shè)備中不可缺少的一部分。隨著設(shè)備要求的不斷提高,電機性能也隨之提升,而熱是影響性能提升的主要參數(shù)之一,若電機產(chǎn)生的熱量超過了絕緣材料允許的最高溫度,輕則加速絕緣層的老化過程,縮短電機壽命,重則損壞電機。如果永磁體的工作溫度超過了其允許的最高溫度,則可能導(dǎo)致永磁體退磁,這將嚴重影響到電機運行是否可靠,最終大大降低其使用壽命,所以電動機整體溫升的掌握對提高電機性能,提高電機壽命非常關(guān)鍵。

目前針對電機的溫升計算,國內(nèi)外一般采用的計算方法有簡化公式法、等效熱路法、等效熱網(wǎng)格法和溫度場法[3]。其中溫度場法以內(nèi)熱交換定理編寫的一個關(guān)于熱傳導(dǎo)的微分方程為根據(jù),提供給電機各部件溫度場計算所用,并通過分析等效出來的熱路圖來建立起熱聯(lián)系,具有可通過計算機來實現(xiàn)溫度場計算、能得到較為精確的計算值、能夠方便靈活地對物體剖分以及在處理邊界問題上有較好的靈活性等優(yōu)點,已成為計算電機電磁場以及溫度場問題的首要方法,本文采用該方法進行永磁無刷電動機溫度場分析研究。

本文通過有限元軟件對永磁無刷電動機進行溫度場分布研究,根據(jù)電機實際結(jié)構(gòu)特點,建立了溫度場等效模型,以電機熱交換邊界條件建立了溫度場邊界,對此進行有限元分析得出永磁無刷電動機各部件溫度場分布,通過實驗研究結(jié)果與仿真結(jié)果對比得出模型等效方法的正確性和溫度場分析方法的正確性,對永磁無刷電動機優(yōu)化設(shè)計提供參考數(shù)據(jù),對電機熱場研究精確度提高有十分重要意義。

1 永磁電機等效模型的建立

1.1 永磁電機繞組等效模型

在電機模型簡化過程中,繞組模型的合理性建立是最困難的。若根據(jù)電機繞組實際模型去建立,是根本不可能達到的,即便可以完整的建立,在分析過程中也會由于網(wǎng)格的劃分問題,不能得到電機正確的溫度場分布,因此繞組模型的簡化成為電機模型簡化合理性的關(guān)鍵。前期已對繞組模型進行實驗研究分析,并得出較為合理的等效方法,與實驗結(jié)果對比誤差3.06%,誤差遠小于工程要求,精度較高。

永磁無刷電動機主要參數(shù):12個槽,每槽導(dǎo)體數(shù)44個,6線并繞,漆包線線徑為0.5 mm,銅線線徑為0.45 mm,槽滿率為40%。實際形狀如圖1所示。

圖1 定子實際結(jié)構(gòu)圖

建立模型前,對此進行相應(yīng)假設(shè):

(1)每個定子槽嵌入的導(dǎo)線均勻排列,且均溫;

(2)定子疊片內(nèi)的絕緣材料和繞組銅線絕緣材料為完全均質(zhì);

(3)定子疊片內(nèi)部完全填充絕緣漆并且均勻[10];

(4)定子疊片層層無間隙是一個整體。

其中建立的繞組模型應(yīng)與實際模型相接近,包括繞組模型面積、重量、槽滿率。

通過以上假設(shè)以及必須遵循的原則建立了以下等效模型,如圖2所示。

圖2 永磁無刷電動機定子等效模型

1.2 永磁電機整體等效模型

根據(jù)上述電機定子等效方法建立永磁電機等效模型。具體等效模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 永磁電機等效模型

2 永磁電機溫度場分析

2.1 熱參數(shù)的計算

在環(huán)境溫度為15℃條件下針對永磁無刷電動機進行有限元分析,具體熱參數(shù)為分析可知,熱參數(shù)包括熱源、散熱系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)[4]。

(1)熱源

根據(jù)實驗所得繞組在起始通電流的瞬時銅耗為23W,當通電一定時間繞組溫度達到穩(wěn)定狀態(tài),這時銅耗為29 W。即起始和穩(wěn)定狀態(tài)時生熱率分別為1.13×106W/m3和1.41×106W/m3。

(2)導(dǎo)熱系數(shù)

該永磁無刷電動機有關(guān)熱傳導(dǎo)系數(shù)如表1所示[4]。

表1 相關(guān)材料熱傳導(dǎo)系數(shù)

(3)散熱系數(shù)

由于該永磁無刷電動機溫度場研究是在室內(nèi),相對電機來說可視為無限空間,因此散熱系數(shù)根據(jù)以下經(jīng)驗公式計算[2]:

式中:Gr,θ,l,Pr分別為格拉曉夫系數(shù)、電機外表面與環(huán)境溫差、電機與空氣接觸面長度和普朗特系數(shù);β,μ,cp,k分別為空氣的相關(guān)參數(shù):體積膨脹系數(shù)、動力粘度、比熱容、傳熱系數(shù)。

其自然對流換熱系數(shù)根據(jù)公式計算得出h=6.5W/(m2·℃)。

將上述計算得到的各部件熱生成率和邊界條件加載求解,通過Ansys有限元軟件的后處理得到永磁無刷電動機各部件溫度分布云圖如圖4所示。

圖4 溫度場分布云圖

3 實驗研究

3.1 實驗分析

為了驗證該分析方法的準確性,對該永磁電機進行實驗分析研究。在定子繞線時將3個同型號的溫度傳感器繞于內(nèi)部,但繞放的位置不同,分別放在繞組中心、繞組中和繞組最外層,并在電機裝配時將一傳感器繞在后端蓋螺栓上擰緊螺栓,以及在機殼上粘一個傳感器以測機殼溫度。通入穩(wěn)定直流電流6.26 A,記錄起始電壓值。當溫度平穩(wěn)時即達到熱穩(wěn)定狀態(tài),這時記錄電壓值,并讀取溫度值,其中該永磁電機的溫度場實驗研究平臺如圖5所示。

圖5 永磁電機溫升實驗研究平臺

將所測溫度數(shù)據(jù)在溫度巡檢儀中提取,整個測試過程中,溫度巡檢儀每秒采樣一次溫度數(shù)據(jù),將溫度巡檢儀測試的數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL表格中,生成溫度曲線如圖6所示。

圖6 永磁電機各部件溫度實驗曲線圖

3.2 結(jié)果對比

將永磁電機各部件溫升仿真結(jié)果和實驗結(jié)果進行對比如表2所示,各部件溫度對比曲線分別如圖7、圖8、圖9 所示。

根據(jù)表2和圖7、圖8、圖9可知,該永磁無刷電動機各部件溫度的仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)基本吻合,誤差在10%范圍內(nèi),證明該分析方法滿足工程要求,且具有較好的精度,可以用于指導(dǎo)該類型的永磁電機溫度場有限元分析,對永磁無刷電動機優(yōu)化設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。

表2 對比表

圖7 機殼溫度對比曲線

圖8 后端蓋溫度對比曲線

圖9 繞組溫度對比曲線

4 結(jié) 語

1)通過仿真結(jié)果和實驗結(jié)果可知,該永磁無刷電動機各部件溫度均低于各部件材料所允許的最高溫度,特別是繞組溫度在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下溫度為85.4℃,遠小于繞組絕緣的最高溫度,電機溫升設(shè)計合理。

2)根據(jù)數(shù)據(jù)對比證明所采用的仿真方法的正確性,特別是進一步證實了繞組模型等效的合理性。

3)永磁無刷電動機各部件溫度的仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)基本吻合,誤差在10%范圍內(nèi),證明該分析方法滿足工程要求,且具有較好的精度,可以用于指導(dǎo)該類型的永磁電機溫度場有限元分析,對永磁無刷電動機優(yōu)化設(shè)計提供參考數(shù)據(jù)。

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