电机线圈与碳刷接触副温度场有限元分析

周阳，丁涛，孙志高，罗海洋



电机线圈与碳刷接触副温度场有限元分析

周阳，丁涛*，孙志高，罗海洋

（湖北工程学院 机械工程学院，湖北 孝感 432000）

以RS775-3860型直流电机为研究对象，利用Pro/E软件建立三维模型，再利用ANSYS Workbench有限元分析软件对电机线圈与碳刷接触副三维温度场进行有限元仿真分析。结果表明：电机额定电压下空载正常工作时，电机损坏的主要原因是由于电机碳刷的磨损；电机额定电压下由于发生故障堵转，此时电机损坏的主要原因为电机线圈温度过高而烧坏。电机启动时由于摩擦和转子线圈电阻较大，导致启动时电机升温速度较快。定期维护电机并更换电机碳刷等易损坏零部件可延长电机寿命。

电机；接触副；线圈；碳刷；温度场

电机作为机械系统的重要构成，为提高其寿命对电机线圈和碳刷接触副温度场进行分析尤为重要。电机在相对运动的过程中，难以避免地会将部分动能转换成热能，当高速运转时，大量的热能无法及时散去，直接后果是必然将引起线圈和碳刷接触副的温度急剧升高，从而产生摩擦热影响电机正常工作职能，严重时甚至破坏电机的内部结构[1]。

近年来，大量学者对不同的电机温度场进行了研究分析[2-4]，研究表明电机损坏70%以上都是由于热量引起，而热量的产生大部分来自于电机线圈和碳刷接触副，对于碳刷来说温度分布不均内部会产生约束力，从而产生热应力。当热应力过大时就会出现不可逆转的损坏，如碳刷翘曲、局部氧化等，甚至会出现电机烧坏机械停止工作的情况[1,4-6]。张彪[7]研究了直流电机碳刷接触面大小对电机的影响表明，在实际应用中适当增加电机碳刷与换向器接触面积可以提高电机寿命，而对电机线圈与碳刷接触副在空载和故障堵转时的温度场分析很少见报道。

本文对RS775-3860型直流电机进行研究，依照传热学原理对电机模型进行简化，使用ANSYS Workbench 16.0软件对电机线圈与碳刷接触副温度场进行仿真分析[8-10]。对电机线圈与碳刷接触副在额定电压下空载运行时的稳态温度场、额定电压下堵转时的稳态温度场和启动时瞬态温度场进行分析，为电机线圈与碳刷接触副的优化设计提出改进建议。

1 模拟准备

1.1 模型的建立

图1为RS775-3860型直流电机整体装配图。为保证温度场仿真分析计算精度，依据传热学相关原理对电机线圈与碳刷模型进行适当优化，从而提高工作效率和减少计算时间，图2为简化后的电机线圈与碳刷模型。

图1 电机整体装配图

1.轴2.转子铁芯3.转子线圈4.换向器5.碳刷

1.2 材料参数

进行电机线圈与碳刷接触副温度场仿真分析之前，首先对组成电机的各部分材料属性进行定义，表1为20℃时的材料参数。

表1 电机主要材料在20℃的参数

1.3 网格划分

将电机三维模型导入ANSYS Workbench 16.0，分析选用结构单元PLANE 223单元进行网格划分。该单元适用于多种耦合分析，且能减小仿真计算的精度和数值与实际值之间的误差，图3为电机简化模型网格划分。

图3 电机模型网格划分

2 结果与讨论

2.1 三维稳态温度场仿真分析

图4为电机在额定电压下电机空载工作60 s稳态温度场。可知电机温度最高点在电机碳刷处，转子线圈温度仅低于电机碳刷，转子铁芯处温度最低；从电机线圈与碳刷接触副的局部温度场可以看出，电机工作时电机碳刷与换向器二者高速摩擦，碳刷中心温度最高，换向器温度低于碳刷温度。主要原因是：当电机线圈与碳刷会产生相对滑动、工作电流流过接触表面时，在摩擦热和焦耳热共同作用下碳刷表面接触处温度急剧升高，碳刷滑动接触处的碳会在高温时会发生软化，导致电机碳刷的材料结构会变弱，最终发生高温脱落而加速磨损。因此，为了降低碳刷磨损提高电机寿命，可以适当增加换向器长度和电机碳刷表面积，或换用自润滑的碳刷材料。

图4 电机空载工作60 s稳态温度场

为探寻转子线圈发热对电机的影响，对电机部分线圈正常工作时的稳态温度场进行分析。图5为电机34匝线圈在的额定电压下空载正常工作60 s后的温度场，可知电机线圈温度场分布较为均匀，且是电机重要发热源。

图5 空载工作60 s线圈稳态温度场

比较图5与图4可知：电机在额定电压下空载正常工作时，换向器与碳刷存在高速相对转动，所以该摩擦副处温度最高。文献[4,6,11]显示线圈作为电机正常工作的主要发热源，温度仅低于接触副处温度，转子铁芯热传导率很低，所以转子铁芯温度总是低于转子线圈，导致温度不高。因此，电机损坏的主要原是电机碳刷磨损和电机不耐热绝缘部件的烧坏。

随即分析电机在额定电压下故障堵转30 s时的稳态温度场，如图6所示，可知此时电机内温度最高处位于转子线圈，此时转子线圈为唯一发热源，并通过热传递将热量传递给转子铁芯等其他零部件。

图6 电机故障堵转30 s稳态温度场

比较图6与图4可知：电机故障堵转时转子线圈由于电流热效应产生大量热量，通过热传递传给转子铁芯等其他零部件，最终电机整体温度急剧升高且超过允许温度，使得电机内部不耐热的零部件或者转子线圈烧坏。黄伯勇等[11]研究发现电机通电工作时由于故障发生堵转对电机损害极大，短时间堵转会缩短电机寿命，时间过长甚至使电机烧坏，因此应当尽量避免该情况发生。为避免故障堵转造成电机损坏，应该定期对电机维护，选用电阻率较小的线圈材料以及耐热性较高的新型绝缘材料，从而延迟电机寿命。

2.2 三维瞬态温度场仿真分析

对电机启动过程中的瞬态温度场进行仿真分析，图7为电机在启动前5 s中四个时间点的温度场变化，可知电机在启动过程中，电机线圈通电和摩擦副处高速接触转动，产生的电流热和摩擦热热量使电机整体温度升高。

电机启动初期，转子线圈与铁芯温度场呈扩散式均匀分布，整体温度逐渐升高，随后热传递使得整体温度趋于稳定。图8所示电机温度变化曲线，也可进一步证实电机在开始启动时升温较快、慢慢趋于平缓。

图7 电机启动瞬态温度场

图8 电机启动温度变化

3 结论

通过对电机线圈与碳刷接触副温度场进行仿真分析，得出如下结论：

（1）电机额定电压下空载正常工作时，电机线圈与碳刷接触副处由于摩擦而温度最高，转子线圈为电机主要发热源且温度总是高于转子铁芯，此时电机碳刷为最易损坏的零部件。

（2）电机由于故障堵转，电机温度急剧升高的原因为电流热效应，该情况对电机损害大，故应该尽量避免。

（3）电机启动时由于摩擦和转子线圈电阻较大，导致启动时电机升温速度较快。

（4）采用增加换向器长度和电机碳刷表面积、使用自润滑作用的碳刷材料、选用电阻率较小的导线材料和耐热性更好的新型绝缘材料、定期维护电机并更换电机碳刷等易损坏零部件等方法来延长电机寿命。

[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]陈华毅，杨明发. 异步电机三维电磁场及温度场耦合仿真分析[J]. 电机与控制应用，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]黄碧霞，吴启震，徐国长. 基于ANSYS Workbench的三相异步电动机温度场分析[J]. 机电技术，2015（5）：136-139.

[7]张彪. 直流电机碳刷接触面大小对电机的影响[J]. 露天采矿技术，2011（5）：93-95.

[8]姚士勇，常平平，柯仲英. 基于Pro/E 的ANSYS 实体建模[J].制造业信息化，2007（7）：52-53.

[9]凌桂龙，丁金滨，稳正. ANSYS Workbench 16.0从入门到精通[M]. 北京：清华大学出版社，2015.

[10]赵镇南. 传热学[M]. 北京：高等教育出版社，2004.

[11]黄伯勇. 电机的发热与冷却[J]. 机械与电子，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

湖北省自然科学基金项目（2015CFB369）

周阳（1995－），男，湖北随州人，本科，主要研究方向为机械设计。

丁涛（1982－），男，湖北应城人，博士研究生，副教授，主要研究方向为机械设计及摩擦学。