电机温度场的仿真与分析

姚光久

（广东工业大学，广东广州510006）

电机温度场的仿真与分析

姚光久

（广东工业大学，广东广州510006）

利用传热学基本理论，结合电机结构特点，建立了电机定子三维瞬态导热模型，对中小型电机定子三维瞬态温度场运用Ansys Workbench进行了仿真。

温度场；传热学；环境温度

1 引言

电机正常运行时，各部分损耗最终都会转变成热能，使得电机各个部分温度升高，进而直接影响电机的寿命和运行可靠性。因此对电机温度场进行仿真分析，对电机的设计和运行中的状态监测都十分重要［1］。

本文应用Ansys workbench来仿真电机工作状况下的温度场，根据电机结构和通风系统的对称性，对电机的部分零件进行仿真，为电机的相关研究作理论探索。

2 电机的理论模型

2.1 电机温度场的数学传热模型

电机运行时，内部三维温度场负荷傅立叶导热定律，由导热定律和能量守恒方程可知电机内部导热微分方程［2－5］为：

式中，ρ为物质的密度；Cp为物质的比热容；t为时间；τT为温度场梯度；λ为物质的导热系数；φv为物体内热源；x、y、z为方向。

2.2 热仿真定义

仿真考虑电机的铜耗和铁耗，将电机热负荷以热密度的形式施加到电机生热部件上，对其机壳外表面施加空气自然对流散热条件，对冷却介质与水道的接触面、绕组外端面、定子铁芯施加强制对流换热条件，设置环境温度为22℃。

表1 生热部分热密度

表2 电机材料热性能参数

3 仿真结果及分析

通过仿真得到电机定子、转轴等相关横截面温度场分布图，如图1所示。用电机材料热性能参数分析截面通热量和相应的温度。

由图1每幅图下的热度进度条可以看出，最左边是深蓝色，深蓝色代表最低温度；最右边是红色，红色代表最高温度。进度条上的颜色对应定子横截面上的颜色。分析10s到160s电机定子温度，可知电机运行时间与温度成正比，在某个时间段电机温度不再上升，电机运行对气隙温度影响不大，定子截面中关于中心轴对称的位置温度都相同，离中心轴越近，温度越高；离中心轴越远，温度越低。原因是转子和转轴的高速旋转是产生热源的主要因素，而且由于转子和转轴是实心的，温度上升快，降低慢，散热不理想。热源由中心轴向外散热的过程中，温度在逐渐降低。

图1 定子横截面温度场分布云图

图2 电机截面通热量和温度

图2所示是电机截面通热量和截面温度的仿真图像，截面由不同的部件组成，部件的热密度越大，相应的温升就越高。转子和转轴的高速旋转是产生热源的主要原因，热源由中心轴向外散热的过程中，温度在逐渐降低。所以由中心轴向外延伸的截面，温度越来越低，仿真图像也证实了理论分析。但是不同的部件都关于中心轴对称，所以同一部件的温度在不同位置都相同，由图2可知轴向1／4位置和轴向3／4位置的截面温度是一样的。同理，相应的截面通热量也相同。

4 环境温度对电机的影响

表3所示为环境温度对负荷的影响。图3所示为电机环境温度与电机效率的仿真结果。图4所示为电机环境温度与转矩倍数的仿真结果。图5所示为电机环境温度与转速的仿真结果。

表3 环境温度对负荷的影响

电动机的允许温升是与电动机的绝缘等级规定的环境温度相关的（A级规定35℃，其他等级为40℃）。在电源电压额定的条件下，当环境温度低于规定温度时，可适当通过增加负载来增加电动机输出功率，电动机温升不会超过允许温升，不会影响电动机正常运行；当环境温度高于规定温度时，电动机就必须减小输出功率（减小负载），以保证电动机长期运行不导致温升过高。图3至图5可以显示出电机环境温度越高，电机的转速、转矩、效率降的

图3 电机环境温度与电机效率的仿真结果

图4 电机环境温度与转矩倍数的仿真结果

图5 电机环境温度与转速的仿真结果

越低，呈正比关系没有下限，所以电机运行中，一定要严格控制环境温度，以免影响电机性能。

5 结论

本文结合传热学知识，在理论分析的基础上，用Ansys workbench仿真软件对电机的部件进行温度场仿真，仿真了温度场分布云图，电机的截面通热量和温度。分析了环境温度对负荷、转矩、转速、电机效率的影响。了解电机的温升情况，为电机的相关研究作理论探索。

［1］邰 永，刘赵淼.感应电动机全域三维瞬态温度场分析［J］.中国电机工程学报，2010，30（30）；114—120.

［2］Driesen J，Belmans R J M，Hameyer K.Finit element modeling of thermal contact resistancesand insulation layers in electrical machines［J］.IEEE Transactions on industrial Applications，2001，37（1）：15－20.

［3］Shenkman A I.，Chertkov M.Experimental method for synthesis of generalized thermal circuit of polyphase induction motors ［J］.IEEE Transactions on Energy Conversion，2000，15（3）：264－268.

［4］李伟力，李守法，谢 颖，等.感应电动机定转子全域温度场数值计算及相关因素敏感性分析［J］.中国电机工程学报，2007，27（24）；85－91.

［5］和伟超，吴建华.电动汽车驱动电机水冷系统的设计及其温度场分析［J］.轻工机械，2013，31（5）：19－25.

Simulation and analysis for temperature field of motor

YAO Guang－jiu
（Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Based on the basic theory of heat transfer and combined with the characteristics of the motor structure，a three－dimensional transient thermal conductivity model of the motor stator is established，and the threedimensional transient temperature fields of the medium and the small motors are simulated by Ansys Workbench.

temperature field；heat transfer；ambient temperature

TM912.1

A

2017－04－05

1005—7277（2017）02—0016—03

姚光久（1990－），研究生，电气工程专业，现从事电机的设计和控制研究。