基于ANSYS永磁无刷电动机的温度场分析

史忠震,许贞俊,张 宇

(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;3.贵州凯敏博机电科技有限公司,贵阳520100)

0 引 言

电机作为动力装置,是各种机械设备中不可缺少的一部分。随着设备要求的不断提高,电机性能也随之提升,而热是影响性能提升的主要参数之一,若电机产生的热量超过了绝缘材料允许的最高温度,轻则加速绝缘层的老化过程,缩短电机寿命,重则损坏电机。如果永磁体的工作温度超过了其允许的最高温度,则可能导致永磁体退磁,这将严重影响到电机运行是否可靠,最终大大降低其使用寿命,所以电动机整体温升的掌握对提高电机性能,提高电机寿命非常关键。

目前针对电机的温升计算,国内外一般采用的计算方法有简化公式法、等效热路法、等效热网格法和温度场法[3]。其中温度场法以内热交换定理编写的一个关于热传导的微分方程为根据,提供给电机各部件温度场计算所用,并通过分析等效出来的热路图来建立起热联系,具有可通过计算机来实现温度场计算、能得到较为精确的计算值、能够方便灵活地对物体剖分以及在处理边界问题上有较好的灵活性等优点,已成为计算电机电磁场以及温度场问题的首要方法,本文采用该方法进行永磁无刷电动机温度场分析研究。

本文通过有限元软件对永磁无刷电动机进行温度场分布研究,根据电机实际结构特点,建立了温度场等效模型,以电机热交换边界条件建立了温度场边界,对此进行有限元分析得出永磁无刷电动机各部件温度场分布,通过实验研究结果与仿真结果对比得出模型等效方法的正确性和温度场分析方法的正确性,对永磁无刷电动机优化设计提供参考数据,对电机热场研究精确度提高有十分重要意义。

1 永磁电机等效模型的建立

1.1 永磁电机绕组等效模型

在电机模型简化过程中,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,因此绕组模型的简化成为电机模型简化合理性的关键。前期已对绕组模型进行实验研究分析,并得出较为合理的等效方法,与实验结果对比误差3.06%,误差远小于工程要求,精度较高。

永磁无刷电动机主要参数:12个槽,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,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,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,如图2所示。

图2 永磁无刷电动机定子等效模型

1.2 永磁电机整体等效模型

根据上述电机定子等效方法建立永磁电机等效模型。具体等效模型结构图如图3所示。

图3 永磁电机等效模型

2 永磁电机温度场分析

2.1 热参数的计算

在环境温度为15℃条件下针对永磁无刷电动机进行有限元分析,具体热参数为分析可知,热参数包括热源、散热系数以及导热系数[4]。

(1)热源

根据实验所得绕组在起始通电流的瞬时铜耗为23W,当通电一定时间绕组温度达到稳定状态,这时铜耗为29 W。即起始和稳定状态时生热率分别为1.13×106W/m3和1.41×106W/m3。

(2)导热系数

该永磁无刷电动机有关热传导系数如表1所示[4]。

表1 相关材料热传导系数

(3)散热系数

由于该永磁无刷电动机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]:

式中:Gr,θ,l,Pr分别为格拉晓夫系数、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,cp,k分别为空气的相关参数:体积膨胀系数、动力粘度、比热容、传热系数。

其自然对流换热系数根据公式计算得出h=6.5W/(m2·℃)。

将上述计算得到的各部件热生成率和边界条件加载求解,通过Ansys有限元软件的后处理得到永磁无刷电动机各部件温度分布云图如图4所示。

图4 温度场分布云图

3 实验研究

3.1 实验分析

为了验证该分析方法的准确性,对该永磁电机进行实验分析研究。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,并在电机装配时将一传感器绕在后端盖螺栓上拧紧螺栓,以及在机壳上粘一个传感器以测机壳温度。通入稳定直流电流6.26 A,记录起始电压值。当温度平稳时即达到热稳定状态,这时记录电压值,并读取温度值,其中该永磁电机的温度场实验研究平台如图5所示。

图5 永磁电机温升实验研究平台

将所测温度数据在温度巡检仪中提取,整个测试过程中,温度巡检仪每秒采样一次温度数据,将温度巡检仪测试的数据导入EXCEL表格中,生成温度曲线如图6所示。

图6 永磁电机各部件温度实验曲线图

3.2 结果对比

将永磁电机各部件温升仿真结果和实验结果进行对比如表2所示,各部件温度对比曲线分别如图7、图8、图9 所示。

根据表2和图7、图8、图9可知,该永磁无刷电动机各部件温度的仿真数据和实验数据基本吻合,误差在10%范围内,证明该分析方法满足工程要求,且具有较好的精度,可以用于指导该类型的永磁电机温度场有限元分析,对永磁无刷电动机优化设计提供参考数据。

表2 对比表

图7 机壳温度对比曲线

图8 后端盖温度对比曲线

图9 绕组温度对比曲线

4 结 语

1)通过仿真结果和实验结果可知,该永磁无刷电动机各部件温度均低于各部件材料所允许的最高温度,特别是绕组温度在稳态状态下温度为85.4℃,远小于绕组绝缘的最高温度,电机温升设计合理。

2)根据数据对比证明所采用的仿真方法的正确性,特别是进一步证实了绕组模型等效的合理性。

3)永磁无刷电动机各部件温度的仿真数据和实验数据基本吻合,误差在10%范围内,证明该分析方法满足工程要求,且具有较好的精度,可以用于指导该类型的永磁电机温度场有限元分析,对永磁无刷电动机优化设计提供参考数据。

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