鼠笼型异步电机断相故障温度场的数值分析与计算

于明星，焦志刚，辛大志

(1.朝阳师范高等专科学校 信息工程系，辽宁 朝阳 122000；2.沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159)

鼠笼型异步电机断相故障温度场的数值分析与计算

于明星1，焦志刚2，辛大志1

(1.朝阳师范高等专科学校 信息工程系，辽宁 朝阳 122000；2.沈阳理工大学 装备工程学院，沈阳 110159)

断相故障是异步电机损坏的主要原因之一。断相后电机转子导条和定子绕组温度升高，影响电机的寿命。对电机温度场模型做合理的假设，定义温度场边界条件，给出异步电机主要热源的计算公式，建立定子绕组等效热模型，求取电机各部分的散热系数，从而解决全模型的热交换问题。建立鼠笼型异步电机的三维实体模型、断相工况模型，计算额定运行和入线端断相后的稳态温度场分布情况。分析断相后各相绕组的温度变化情况，为从温度场的变化情况诊断电机故障问题提供理论依据。

感应电机；数值计算；热交换；三维；温度场

异步电动机总容量占我国总发电量的52%～60%，是工农业生产生活中应用最广泛的电动机[1]，其可靠性决定着我国经济的发展状况。三相异步电机在运行过程中，缺少一根火线，就称为断相。断相故障是导致电机损坏的主要原因之一，占电机定子绕组故障的半数以上。缺相运行时，振动增大，伴有异常响声，定子绕组温度升高。同时，定子的旋转磁场不平衡，定子产生负序电流，负序磁场和转子产生感应电势，使转子电流迅速增加，转子发热。由于磁场的不均匀分布，导致电机振动增大，破坏轴承和机座。所以分析三相异步电机断相运行的温度场，能够有效的减少事故发生。保证设备正常有序的运行。

近些年来，国内外学者对电机的温度场做了一系列的研究。文献[2]提出一种空气冷却异步电机的三维耦合场有限元分析温升预测方法。M.Farahani对电机绝缘部分进行热分析实验，分析绝缘老化过程中介电性能的变化情况[3]。谢颖等对异步电机转子导条断条及相关的主要影响因素进行了温度场计算分析[4-6]。Aderiano M.da Silva提出一种匝间短路和转子断相故障的诊断方法[7]。J.Penman提出一种异步电机定子绕组匝间短路故障的检测方法[8]。Ogbonnaya I.Okoro对7.5kW感应电机额定运行状态进行了稳态和瞬态的热分析[9]。Austin H.Bonnett分析感应电机的定子和转子故障的各种原因[10]。J.T.Boys等提出一种经验估计热模型，该模型能够估计变频器驱动笼式感应电机定子和转子导体的瞬态和稳态温度[11]。文献[12]通过RTM代码生成技术建立了无刷直流电机的调速系统，为电机的嵌入式开发提供了思路。

本文在前人工作的基础上，提出了温度场的假设条件，对电机温度场的求解域和边界条件进行定义，给出主要热源的计算公式，对定子绕组的绝缘部分进行等效，计算等效热模型的导热系数，建立断相工况的模型。分析断相运行对电机温度场的影响。

1 热源的分析基础

1.1 模型假设

在鼠笼型异步电机温度场求解过程，为了简化计算过程，作出如下假设：1)忽略温度对材料电导率的影响；2)不考虑定子铁心的涡流，轴承的摩擦损耗和冷却介质的通风损耗；3)不计铁心和绕组的附加损耗；4)铁磁材料均默认为各向同性。

求解域的温度场满足边界条件

=-q(x,y,z)

(1)

式中：Ω为求解区域；T为物体温度；Ts为环境温度；λx、λy、λz为各方向导热系数；q为热源密度；n′为边界法矢量；α为散热系数，S1为接触传热面。

1.2 异步电机的热源

电机是一种机电能量转换机构，在机电能量转换过程中会产生损耗，电机的热源就是电机产生损耗的部位，电机的主要损耗包括铁心损耗，绕组损耗和机械损耗。这些损耗将产生的能量传递给电机本体和周围的环境，最终温度会达到一个稳定值。损耗的计算就显得尤为重要。

在交变磁场作用下，建立Bertotti模型[13]，定子铁心损耗为

PFe=khfBpxh+kcf2Bp2+kef1.5Bp1.5

(2)

式中：Bp为磁通密度幅值；f为频率；kh、xh为磁滞损耗系数；kc为经典涡流损耗系数；ke为异常损耗系数。

转子铜导条的损耗[14]为

(3)

式中：lh为导条的长度；s为转差率；σ′为导条电导率；Eall为单元总数；Jze为各单元的感应电密；Δe为各单元的面积。

实心转子的涡流损耗为

(4)

式中，δ为硅钢片厚度，ρ为铁心的密度。

定子绕组铜耗为

(5)

式中，Iphase为定子某相的相电流，Rphase为定子某相的相电阻。

1.3 异步电机全模型的热交换

电机中损耗的能量转换为热量后，通过热传导、热对流的方式传递到周围介质中。傅里叶热传导基本定律

q=-λ0(1+βλT)gradT

(6)

式中：λ0为热源0℃时的热导率；T为热源的温度；βλ为热传导温度系数。

热交换方程式

dP=α(T-T0)Sdt

(7)

式中：dP是在dt时间内以对流散出的热量；T0为周围介质的温度；S为散热面的面积；α为对流散热系数。

2 热计算的理论分析

定子绕组与定子槽之间有槽绝缘和侵漆层绝缘，较难确定导热系数。为了确定等效导热系数，作出假设：1)定子槽内为无气体存在，完全侵漆；2)槽绝缘与定子槽结合紧密。对多层平面壁，稳定工况下各层热流相等[15]，那么

(8)

定子外表面散热系数[16]

(9)

式中vs为流过定子外表面的风速。

定子铁心端面散热系数

(10)

式中vr为转子表面线速度。

转子表面和定子内圆表面与气隙的散热系数[17]

(11)

定、转子绕组端部的散热系数

(12)

散热系数计算结果如表(1)所示，单位均为W/m2·K。其中vs取2m/s；vr为10.61m/s；n取三层；第一层侵漆纸层，第二层聚酯漆包线层，第三层侵漆玻璃丝带层。

表1 散热系数计算结果

3 三维温度场的结果与分析

运行环境Windows 7 旗舰版64位操作系统，内存4.00GB，处理器Intel Core i5-3470 3.5GHz 版本号Ansys Workbench 15.0 分析系统Steady-State Thermal 本文以Y2-132M-4型7.5kW强迫制冷式电机尺寸为基准进行设计，电机的尺寸如表2所示。

表2 电机的相关尺寸参数 mm

绘制异步电机的三维有限元模型，网格划分如图1所示。将气隙、绝缘层、定子绕组端部等关键部位划分细些。划分后的节点数575529个，单元数127602个。

图1 异步电机网格划分图

搭建外部控制电路，定子绕组采用三角形接法，通入三相正弦交流电，利用状态机控制开关，在预定时刻使A相电源入线端断相，模拟实际断相工况。额定运行及断相运行温度场分布如图2、图3所示。为准确分析电机的温度分布将电机沿轴向中心截面做切割。

图2 额定运行稳态温度分布云图

图3 断相运行稳态温度分布云图

电机温度沿径向垂直截面是对称分布的，取电机径向垂直中心截面的一半来分析温度场。现作如下定义，竖直向下的方向为初始0°，竖直向上的方向为180°，顺时针旋转的方向为角度变化方向。

从计算结果可以看出，转子的温度最高，温度最高点出现在轴向中心截面与转轴上接触面的位置，转子导条和转子铁心的温度较接近，定子绕组的温度比定子铁心的温度要高，电机的外壳温度最低，外壳的外表面接线盒位置无散热翅，散热性较差温度较高，离接线盒较近的区域散热性均不好。

图4是额定运行状态定子铁心内圆温度与转子铁心外圆温度的温度分布图。

图4 额定运行铁心沿半圆周温度变化曲线

由图4可知，转子铁心外圆沿圆周方向温度变化较小，这是由于转子的材料导热性好，最高温度为109.26℃，最低温度点为106.92℃。定子铁心内圆温度沿圆周方向变化较大，最高温度为89.31℃，最低温度为78.73℃。这是因为电机顶部是接线盒，没有散热翅，定子铁心散热性较差。而转子铁心离无散热翅位置较远，且有气隙和绝缘层的影响，温度变化不明显。

图5给出了额定运行时定子绕组和转子导条沿半圆周温度分布情况。

图5 额定运行绕组和导条沿半圆周温度变化曲线

转子导条的温度差别不大，最大值为111.12℃，最小值为109.59℃。定子绕组的平均温度变化明显，最小值是91.93℃，最大值是101.81℃。由于定子绕组通过等效绝缘层与机壳传热，受散热翅的影响较大。

图6为断相运行时定子铁心内圆和转子铁心外圆沿半圆周温度变化情况。

图6 断相运行铁心沿半圆周温度变化曲线

由图6可以看出，断相后转子铁心的温度升高，整体变化幅度仍不明显，最低值为139.59℃，最高值为143.02。定子铁心的温度变大，最大温度达到104.51℃，最小温度达到88.92℃。转子铁心的温度已经超过B级绝缘的温度允许值。

图7为断相运行定子绕组平均温度和转子导条内圆温度的变化曲线。

图7 断相运行绕组和导条沿半圆周温度变化曲线

从图7可以发现，断相后转子导条的温度变化较大。最高温度是145.59℃，最低温度是142.52℃。定子绕组的温度变化程度呈不规则性，同属B相绕组的线圈组温度较高，A相和C相的线圈组温度较低。最高温度值已是120.61℃，最低温度是68.59℃。电机角度为100°时，额定运行的定子绕组温度是95.36℃，而断相运行的定子绕组温度降为68.59℃。这是因为断相后A相和C相绕组电流降为原来的0.58，导致铜耗降低的原因。B相绕组的相电流变为原来的1.15倍，使B相绕组的铜耗升高。

4 结论

通过对7.5kW三角形接法鼠笼型异步电机额定运行和电源入线端断相后的稳态温度场的计算和分析，得出如下结论：

(1)电机额定运行和断相运行达到稳态后，电机的转子和导条温度最高，转子沿圆周方向温度变化程度较小，定子铁心温度要低于转子铁心温度，定子绕组温度低于转子导条温度。

(2)散热翅对电机的定子铁心和定子绕组的温度分布影响较大，无散热翅附近的散热性能较差，温度较高。

(3)A相电源入线端断相后，B相绕组的铜耗将升高到原来的1.32倍，A相、C相绕组的铜耗降为原来的0.34倍。转子导条和B相定子绕组温度均超过温升允许极限值，为不同接法的电机和不同种类的电机断相运行的温度场分析提供思路。

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(责任编辑：王子君)

NumericalAnalysisandCalculationoftheTemperatureFieldofSquirrel-cageInductionMotorwithOpenPhaseFaults

YU Mingxing1,JIAO Zhigang2,XIN Dazhi1

(1.Chaoyang Teachers College,Chaoyang 122000,China；2.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Open phase fault is one of major causes for asynchronous motor damage.After loss of phase,rotor bars and stator windings of motor are subjected to increased temperature,which influences the serving life of motor.Reasonable assumption of temperature field model is made and boundary condition of temperature field is defined,Computational formula of main heat resource of asynchronous motor is proposed，which builts equivalent thermal model of stator winding,calculates heat transfer coefficient of each part of motor,and solves full-model heat transfer problems.In addition,3D entity model and phase-loss condition model of squirrel-cage type asynchronous motor are established,which calculates static temperature field distributions upon rated operating condition or phase loss at inlet end,respectively.Temperature variations of all windings after phase loss are analyzed,which provides theoretical basis for motor fault diagnosis according to temperature field variations.Keywordsinduction motor;numerical calculation;heat transfer;three-dimensional；temperature field

2016-05-06

于明星(1987—),男，讲师，研究方向：电机电磁场和温度场分析。

1003-1251(2017)04-0028-05

TM307

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