電機(jī)線圈與碳刷接觸副溫度場(chǎng)有限元分析

周陽(yáng)，丁濤，孫志高，羅海洋

?

電機(jī)線圈與碳刷接觸副溫度場(chǎng)有限元分析

周陽(yáng)，丁濤*，孫志高，羅海洋

（湖北工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 孝感 432000）

以RS775-3860型直流電機(jī)為研究對(duì)象，利用Pro/E軟件建立三維模型，再利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)電機(jī)線圈與碳刷接觸副三維溫度場(chǎng)進(jìn)行有限元仿真分析。結(jié)果表明：電機(jī)額定電壓下空載正常工作時(shí)，電機(jī)損壞的主要原因是由于電機(jī)碳刷的磨損；電機(jī)額定電壓下由于發(fā)生故障堵轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)損壞的主要原因?yàn)殡姍C(jī)線圈溫度過(guò)高而燒壞。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)由于摩擦和轉(zhuǎn)子線圈電阻較大，導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)電機(jī)升溫速度較快。定期維護(hù)電機(jī)并更換電機(jī)碳刷等易損壞零部件可延長(zhǎng)電機(jī)壽命。

電機(jī)；接觸副；線圈；碳刷；溫度場(chǎng)

電機(jī)作為機(jī)械系統(tǒng)的重要構(gòu)成，為提高其壽命對(duì)電機(jī)線圈和碳刷接觸副溫度場(chǎng)進(jìn)行分析尤為重要。電機(jī)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，難以避免地會(huì)將部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能，當(dāng)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，大量的熱能無(wú)法及時(shí)散去，直接后果是必然將引起線圈和碳刷接觸副的溫度急劇升高，從而產(chǎn)生摩擦熱影響電機(jī)正常工作職能，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1]。

近年來(lái)，大量學(xué)者對(duì)不同的電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究分析[2-4]，研究表明電機(jī)損壞70%以上都是由于熱量引起，而熱量的產(chǎn)生大部分來(lái)自于電機(jī)線圈和碳刷接觸副，對(duì)于碳刷來(lái)說(shuō)溫度分布不均內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生約束力，從而產(chǎn)生熱應(yīng)力。當(dāng)熱應(yīng)力過(guò)大時(shí)就會(huì)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損壞，如碳刷翹曲、局部氧化等，甚至?xí)霈F(xiàn)電機(jī)燒壞機(jī)械停止工作的情況[1,4-6]。張彪[7]研究了直流電機(jī)碳刷接觸面大小對(duì)電機(jī)的影響表明，在實(shí)際應(yīng)用中適當(dāng)增加電機(jī)碳刷與換向器接觸面積可以提高電機(jī)壽命，而對(duì)電機(jī)線圈與碳刷接觸副在空載和故障堵轉(zhuǎn)時(shí)的溫度場(chǎng)分析很少見報(bào)道。

本文對(duì)RS775-3860型直流電機(jī)進(jìn)行研究，依照傳熱學(xué)原理對(duì)電機(jī)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，使用ANSYS Workbench 16.0軟件對(duì)電機(jī)線圈與碳刷接觸副溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析[8-10]。對(duì)電機(jī)線圈與碳刷接觸副在額定電壓下空載運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)、額定電壓下堵轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和啟動(dòng)時(shí)瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，為電機(jī)線圈與碳刷接觸副的優(yōu)化設(shè)計(jì)提出改進(jìn)建議。

1 模擬準(zhǔn)備

1.1 模型的建立

圖1為RS775-3860型直流電機(jī)整體裝配圖。為保證溫度場(chǎng)仿真分析計(jì)算精度，依據(jù)傳熱學(xué)相關(guān)原理對(duì)電機(jī)線圈與碳刷模型進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，從而提高工作效率和減少計(jì)算時(shí)間，圖2為簡(jiǎn)化后的電機(jī)線圈與碳刷模型。

圖1 電機(jī)整體裝配圖

1.軸2.轉(zhuǎn)子鐵芯3.轉(zhuǎn)子線圈4.換向器5.碳刷

1.2 材料參數(shù)

進(jìn)行電機(jī)線圈與碳刷接觸副溫度場(chǎng)仿真分析之前，首先對(duì)組成電機(jī)的各部分材料屬性進(jìn)行定義，表1為20℃時(shí)的材料參數(shù)。

表1 電機(jī)主要材料在20℃的參數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分

將電機(jī)三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench 16.0，分析選用結(jié)構(gòu)單元PLANE 223單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。該單元適用于多種耦合分析，且能減小仿真計(jì)算的精度和數(shù)值與實(shí)際值之間的誤差，圖3為電機(jī)簡(jiǎn)化模型網(wǎng)格劃分。

圖3 電機(jī)模型網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真分析

圖4為電機(jī)在額定電壓下電機(jī)空載工作60 s穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。可知電機(jī)溫度最高點(diǎn)在電機(jī)碳刷處，轉(zhuǎn)子線圈溫度僅低于電機(jī)碳刷，轉(zhuǎn)子鐵芯處溫度最低；從電機(jī)線圈與碳刷接觸副的局部溫度場(chǎng)可以看出，電機(jī)工作時(shí)電機(jī)碳刷與換向器二者高速摩擦，碳刷中心溫度最高，換向器溫度低于碳刷溫度。主要原因是：當(dāng)電機(jī)線圈與碳刷會(huì)產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)、工作電流流過(guò)接觸表面時(shí)，在摩擦熱和焦耳熱共同作用下碳刷表面接觸處溫度急劇升高，碳刷滑動(dòng)接觸處的碳會(huì)在高溫時(shí)會(huì)發(fā)生軟化，導(dǎo)致電機(jī)碳刷的材料結(jié)構(gòu)會(huì)變?nèi)?，最終發(fā)生高溫脫落而加速磨損。因此，為了降低碳刷磨損提高電機(jī)壽命，可以適當(dāng)增加換向器長(zhǎng)度和電機(jī)碳刷表面積，或換用自潤(rùn)滑的碳刷材料。

圖4 電機(jī)空載工作60 s穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

為探尋轉(zhuǎn)子線圈發(fā)熱對(duì)電機(jī)的影響，對(duì)電機(jī)部分線圈正常工作時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析。圖5為電機(jī)34匝線圈在的額定電壓下空載正常工作60 s后的溫度場(chǎng)，可知電機(jī)線圈溫度場(chǎng)分布較為均勻，且是電機(jī)重要發(fā)熱源。

圖5 空載工作60 s線圈穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

比較圖5與圖4可知：電機(jī)在額定電壓下空載正常工作時(shí)，換向器與碳刷存在高速相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以該摩擦副處溫度最高。文獻(xiàn)[4,6,11]顯示線圈作為電機(jī)正常工作的主要發(fā)熱源，溫度僅低于接觸副處溫度，轉(zhuǎn)子鐵芯熱傳導(dǎo)率很低，所以轉(zhuǎn)子鐵芯溫度總是低于轉(zhuǎn)子線圈，導(dǎo)致溫度不高。因此，電機(jī)損壞的主要原是電機(jī)碳刷磨損和電機(jī)不耐熱絕緣部件的燒壞。

隨即分析電機(jī)在額定電壓下故障堵轉(zhuǎn)30 s時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，如圖6所示，可知此時(shí)電機(jī)內(nèi)溫度最高處位于轉(zhuǎn)子線圈，此時(shí)轉(zhuǎn)子線圈為唯一發(fā)熱源，并通過(guò)熱傳遞將熱量傳遞給轉(zhuǎn)子鐵芯等其他零部件。

圖6 電機(jī)故障堵轉(zhuǎn)30 s穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)

比較圖6與圖4可知：電機(jī)故障堵轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子線圈由于電流熱效應(yīng)產(chǎn)生大量熱量，通過(guò)熱傳遞傳給轉(zhuǎn)子鐵芯等其他零部件，最終電機(jī)整體溫度急劇升高且超過(guò)允許溫度，使得電機(jī)內(nèi)部不耐熱的零部件或者轉(zhuǎn)子線圈燒壞。黃伯勇等[11]研究發(fā)現(xiàn)電機(jī)通電工作時(shí)由于故障發(fā)生堵轉(zhuǎn)對(duì)電機(jī)損害極大，短時(shí)間堵轉(zhuǎn)會(huì)縮短電機(jī)壽命，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)甚至使電機(jī)燒壞，因此應(yīng)當(dāng)盡量避免該情況發(fā)生。為避免故障堵轉(zhuǎn)造成電機(jī)損壞，應(yīng)該定期對(duì)電機(jī)維護(hù)，選用電阻率較小的線圈材料以及耐熱性較高的新型絕緣材料，從而延遲電機(jī)壽命。

2.2 三維瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真分析

對(duì)電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，圖7為電機(jī)在啟動(dòng)前5 s中四個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度場(chǎng)變化，可知電機(jī)在啟動(dòng)過(guò)程中，電機(jī)線圈通電和摩擦副處高速接觸轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生的電流熱和摩擦熱熱量使電機(jī)整體溫度升高。

電機(jī)啟動(dòng)初期，轉(zhuǎn)子線圈與鐵芯溫度場(chǎng)呈擴(kuò)散式均勻分布，整體溫度逐漸升高，隨后熱傳遞使得整體溫度趨于穩(wěn)定。圖8所示電機(jī)溫度變化曲線，也可進(jìn)一步證實(shí)電機(jī)在開始啟動(dòng)時(shí)升溫較快、慢慢趨于平緩。

圖7 電機(jī)啟動(dòng)瞬態(tài)溫度場(chǎng)

圖8 電機(jī)啟動(dòng)溫度變化

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)電機(jī)線圈與碳刷接觸副溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得出如下結(jié)論：

（1）電機(jī)額定電壓下空載正常工作時(shí)，電機(jī)線圈與碳刷接觸副處由于摩擦而溫度最高，轉(zhuǎn)子線圈為電機(jī)主要發(fā)熱源且溫度總是高于轉(zhuǎn)子鐵芯，此時(shí)電機(jī)碳刷為最易損壞的零部件。

（2）電機(jī)由于故障堵轉(zhuǎn)，電機(jī)溫度急劇升高的原因?yàn)殡娏鳠嵝?yīng)，該情況對(duì)電機(jī)損害大，故應(yīng)該盡量避免。

（3）電機(jī)啟動(dòng)時(shí)由于摩擦和轉(zhuǎn)子線圈電阻較大，導(dǎo)致啟動(dòng)時(shí)電機(jī)升溫速度較快。

（4）采用增加換向器長(zhǎng)度和電機(jī)碳刷表面積、使用自潤(rùn)滑作用的碳刷材料、選用電阻率較小的導(dǎo)線材料和耐熱性更好的新型絕緣材料、定期維護(hù)電機(jī)并更換電機(jī)碳刷等易損壞零部件等方法來(lái)延長(zhǎng)電機(jī)壽命。

[1]Wang Shuifa，Chen Dewei. Analysis of two-dimensional steady temperature field of asynchronous motor based on ANSYS (in Chinese) [J]. Electric Drive Automation，2011，33（2）：23-26.

[2]MROZ J. Temperature field of a double squirrel-cage motor during startup[J]. IEEE proceedings: Electric Power Applications，2015，52（6）：1531-1538.

[3]TongWenming，ShuShenglang，ZhuGaojia，et al. Calculation Technology of Finite Formulation Method for 3D Motor Temperature Field (in Chinese) [J]. Proceedings of the CSEE，2017（7）：2131-2140.

[4]陳華毅，楊明發(fā). 異步電機(jī)三維電磁場(chǎng)及溫度場(chǎng)耦合仿真分析[J]. 電機(jī)與控制應(yīng)用，2015（1）：42-47.

[5]Li LIyi，Huang Xuzhen，Kong Baoquan，et al. Numerical calculation of temperature field for tubular linear motor based on finite element method (in Chinese) [J]. Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28（2）：132-138.

[6]黃碧霞，吳啟震，徐國(guó)長(zhǎng). 基于ANSYS Workbench的三相異步電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)分析[J]. 機(jī)電技術(shù)，2015（5）：136-139.

[7]張彪. 直流電機(jī)碳刷接觸面大小對(duì)電機(jī)的影響[J]. 露天采礦技術(shù)，2011（5）：93-95.

[8]姚士勇，常平平，柯仲英. 基于Pro/E 的ANSYS 實(shí)體建模[J].制造業(yè)信息化，2007（7）：52-53.

[9]凌桂龍，丁金濱，穩(wěn)正. ANSYS Workbench 16.0從入門到精通[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2015.

[10]趙鎮(zhèn)南. 傳熱學(xué)[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[11]黃伯勇. 電機(jī)的發(fā)熱與冷卻[J]. 機(jī)械與電子，2006（12）：46-47.

Finite Element Analysis of Contact Temperature Field of Motor Coil and Carbon Brush

ZHOU Yang，DING Tao，SUN Zhigao，LUO Haiyang

(Hubei Engineering University, School of Mechanical Engineering, Xiaogan 432000, China )

Continuous current dynamo whose model is RS775-3860 was chosen as the subject of analyzing in this paper, building the three-dimensional model of electric machine with Pro/E software. By finite element analysis software of ANSYS workbench, conducting the finite element simulation analysis of sub three dimensional temperatures field where motor coil approaches the carbon brush. The result suggested that the main cause of the damage of electric machine is the abrasion of motor carbon brush when the machine is no-load working under the rated voltage. When the motor of electric machine was locked under the rated voltage due to a fault, the main cause of the damage of electric machine is that the temperature of motor coil is too high resulting being burned now. The great friction and rotor coil resistance will lead the motor temperature to rising rather fast when the motor starts up. Regular maintenance of the motor and replacement of motor carbon brushes and other vulnerable parts can extend the life of motor.

motor；contact couple；coil；carbon brush temperature field；finite element analysis

TM33

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.012

1006－0316 (2018) 03－0046－04

2017－07－12

湖北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2015CFB369）

周陽(yáng)（1995－），男，湖北隨州人，本科，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。

丁濤（1982－），男，湖北應(yīng)城人，博士研究生，副教授，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)及摩擦學(xué)。