电机定子绕组热模型等效方法的有限元分析研究

聂华伟，史忠震，许贞俊

(1.贵州交通职业技术学院,贵阳 550008；2.贵州省机械工业学校,贵阳 550001)



电机定子绕组热模型等效方法的有限元分析研究

聂华伟1，史忠震1，许贞俊2

(1.贵州交通职业技术学院,贵阳 550008；2.贵州省机械工业学校,贵阳 550001)

通过对实际电机定子绕组结构的分析研究，得出了绕组热模型的建立方法，并针对电机热场研究建立了三种简化模型，运用ANSYS热仿真系统分析和实验研究对比得到最为合理的绕组热模型。得出的简化模型方法对电机热场研究精确度提高有十分重要意义，同时对电机相关参数性能有限元分析等效模型的建立有一定的参考意义。

定子绕组；等效模型；温升研究；有限元

0 引 言

电机作为动力装置，在各种机械设备上得到了广泛应用，也是其不可缺少的一部分，它的性能直接影响着设备的正常运行，而热是直接影响电机性能的参数之一，如果温度超过本身所承受范围将使电机寿命以及使用性能受到影响，因此在电机设计过程中应对温度重点考虑。

在电机热场计算过程中电机模型的等效、热源以及各部件温度参数的计算精度直接影响有限元法的温度场计算精度，其中热源以及各部件温度参数的计算国内外学者已经做了大量工作，并取得了丰硕的成果，但对于电机有限元简化模型建立研究不多[12]。在电机模型等效过程中，绕组模型的合理性建立是最困难的，若根据电机绕组实际模型去建立，是根本不可能达到的，即便可以完整的建立，在分析过程中也会由于网格的划分问题，不能得到电机正确的温度场分布，因此绕组模型的等效合理性已成为有限元法研究电机温升的关键。

本文通过运用ANSYS仿真软件分别对三种简化模型分析，根据温升实验研究对比得出3种等效模型中最为合理的绕组热模型。得出的简化模型方法对电机热场研究精确度提高有十分重要意义，同时对电机相关参数性能有限元分析等效模型的建立有一定的参考意义。

1 电机绕组的等效模型

该实验研究电机定子的具体参数为：定子槽数为12，每槽导体数44个，6线并绕，漆包线线径为0.5 mm，铜线线径为0.45 mm，槽满率为40%，实际形状如图1所示。

图1 定子实际结构图

建立模型前，为便于更好的进行有限元分析计算，对此进行相应假设：

(1)每个定子槽嵌入的导线均匀排列，且均温；

(2)定子叠片内的绝缘材料和绕组铜线绝缘材料为完全均质；

(3)定子叠片内部完全填充绝缘漆并且均匀[10]；

(4)定子叠片层层无间隙是一个整体。

其中建立的绕组模型应与实际模型相接近，其中包括绕组模型面积、重量、槽满率。

通过以上假设以及必须遵循的原则建立了以下等效模型。

模型一：1) 定子叠片简化成整体；2) 不考虑槽内绝缘层其中的浸漆层；3) 将定子槽内的绕组模型建成一个整体，外部为混合绝缘层；4) 外部空间由空气包裹。具体模型结构图如下所示。

图2 定子模型简化方案一

模型二：1) 定子叠片简化成整体；2) 考虑槽内绝缘层其中的浸漆层的存在；3) 将定子槽内的绕组模型建成一个整体，外部为混合绝缘层；4) 外部空间由空气包裹。具体模型结构图如下所示。

图3 定子模型简化方案二

模型三：根据定子的实际结构特点建立定子模型。1) 不忽略任何绝缘介质的存在；2) 槽内绕组等效成层状，每两个绕组层之间为绝缘层。具体模型结构如图4所示。

图4 定子模型简化方案三

2 电机定子的热分析

运用仿真软件ANSYS分别对三种模型进行热场分析研究。

2.1 热参数的计算

分析可知热参数包括热源、散热系数以及导热系数[10]。

(1)产热源

该有限元研究电机运行状态为静止情况，因此不存在机械损耗，铁心损耗相对于绕组铜耗来说忽略不计。根据实验所得绕组在起始通电流的瞬时铜耗为21.5 W，当通电一定时间绕组温度达到稳定状态，这时铜耗为26.8 W。由于在温度场分析中热源加载以生热率进行加载，因此计算出起始瞬时和稳定状态时生热率分别为1.13×106W/m3和1.41×106W/m3。

(2)热传导系数

该电机定子零部件的有关热传导系数如下表所示[10]。

表1 相关热传导系数

根据经验公式，多种混合体材料的热传导系数[1]：

(1)

式中：λeq为等效导热系数；δi(i=1,2,3,…,n)为每种材料的厚度；λi(i=1,2,3,…,n)为每种材料的热传导系数。

通过以上经验公式得出3种简化模型槽内绝缘体的等效导热系数分别为：模型一λeq=0.29 W/(m·K)；模型二和模型三λeq=0.17 W/(m·K)。

(3)散热系数

由于该电机定子温度场研究是在室内，相对电机来说可视为无限空间，因此散热系数根据以下经验公式计算[2]：

(2)

当104

(3)

当109

(4)

式中：Nu，Gr，θ，L，Pr分别为努塞尔系数、格拉晓夫系数、电机外表面与环境温差、电机与空气接触面长度和普朗特系数；β，μ，k，cp分别为空气的相关参数：体积膨胀系数、动力粘度、热传导系数和比热容。

由于所测电机定子周围空气温度15 ℃，根据式(2)、式(3)、式(4)得出与周围空气接触的散热系数h=7.1 W/(m2·K)。

2.2 计算结果云图

将以上求得相关参数加载分析，分析结果云图如图5所示。

(a)(b)

(c)

3 实验研究

通过实验研究分析来找出以上3种简化模型最合理的简化方法。

在定子绕线时将3个同型号的温度传感器绕于内部，但绕放的位置不同，分别放在绕组中心、绕组中和绕组最外层，具体放置位置如图6所示。

图6 传感器放置位置示意图

3.1 搭建实验平台

由于该实验研究针对温度场，因此实验所用装置主要包括电源(直流稳压)、电压和电流传感器、热巡检仪以及热电偶传感器等组成，分布示意图如图7所示。

图7 分布图

研究实验步骤:

(1)根据定子温度场实验研究示意图将实验装置连接。

(2)通入稳定直流电流6.26 A，记录起始电压值，计算出刚通电流瞬时绕组阻值。

(3)当温度平稳时即达到热稳定状态，这时记录电压值并计算出稳定状态下绕组的阻值。

(4)记录稳态下温度值。

连接出实验研究装置如下。

图8 实验研究装置

3.2 实验研究数据分析

将仪器中所测热数据导出，并作出统计曲线如下图所示。

图9 定子绕组温度测试曲线图

根据图9分析可知，定子绕组在通入直流电流大约6 h后达到稳态，此时TMAX=124.6，在绕组中心处，其它两处温度依次为T1=122.7和T2=121.3，符合实际温度分布情况，计算得平均温度122.9℃。

3.3 对比分析

仿真数据与实验数据对比如表2所示。

表2 对比表

通过上表得出结论：(1)模型一与实验对比误差在 -20%以上，远高于所要求的±10%工程误差范围，误差较大。分析可知该误差是由于等效模型将定子槽内的浸漆层忽略，而浸漆层材料的导热系数很小，使得定子绕组产生的热量能够相对较好的传递出去，从而导致仿真出的绕组温度相对较低。

(2)模型二的绕组各温度误差均接近工程要求10%误差，误差相模型一较小，但仍不能满足工程精确度要求高的场合。

(3)模型三的绕组最高温度、最低温度和平均温度与实际实验数据相接近，误差较小处于工程要求10%范围内，精度较高。

前两个简化模型相比，模型二的误差较小并且误差接近工程要求，因此在精度要求范围低的情况下，这种简化方法可以采用。对比以上三类等效方法，模型三绕组温度误差均处在10%以内，精度相对较高，该等效方法相对较为合理，满足要求。

4 结 语

1) 通过对三种模型分析数据与实验数据分析对比发现定子槽内绝缘体不能忽略，它对温度场有较大的影响，这主要归结于绝缘材料传到系数很小，形成隔层，热量不容易散出去，因此建立等效模型时绝缘层的简化是十分重要的。

2) 对比三种等效模型可知：通过等效绝缘材料热传导系数和分层简化方法可以使仿真误差降低。

3) 根据实验研究可得：最接近实际温度的为第三种简化模型的热场分析，误差均处在10%以内，精度相对较高，该等效方法与实际接近，简化方法最为合理。模型二的误差虽在要求范围之外，但工程要求范围相接近，因此在精度要求范围低的情况下，这种简化方法可以采用。

4) 通过对永磁电机定子温升实验研究和有限元分析研究对比得出电机定子热模型的等效方法，该方法的得出对电机温度场有限元研究精度的提高有重要意义，同时对电机相关参数性能有限元分析等效模型的建立有一定的参考意义。

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Finite Element Analysis and Research of Motor Stator Winding Thermal Model Equivalent Method

NIE Hua-wei1，SHI Zhong-zhen1，XU Zhen-jun2

(1.Guizhou Polytechnic College of Communications,Guiyang 550008,China;2.School of Machinery Industry of Guizhou Province,Guiyang 550001,China)

According to the actual distribution of windings,three kinds of motor winding equivalent model was established.The finite element analysis software ANSYS was used to study on temperature field analysis of three kinds of equivalent models.Through temperature rise experiment research in the three kinds of equivalent model the most reasonable winding thermal model. The winding equivalent thermal model method to the improvement of motor temperature field finite element research precision has a certain guiding value,and finite element analysis for the motor model rationality has certain reference significance.

stator winding; equivalent model; study of temperature; finite element

2015-11-13

TM301.4+1

A

1004-7018(2016)10-0030-04

聂华伟(1984-)，男，博士，研究方向为摩擦、润滑与表面工程。