電機(jī)溫度場的仿真與分析

姚光久

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006）

電機(jī)溫度場的仿真與分析

姚光久

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東廣州510006）

利用傳熱學(xué)基本理論，結(jié)合電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立了電機(jī)定子三維瞬態(tài)導(dǎo)熱模型，對中小型電機(jī)定子三維瞬態(tài)溫度場運(yùn)用Ansys Workbench進(jìn)行了仿真。

溫度場；傳熱學(xué)；環(huán)境溫度

1 引言

電機(jī)正常運(yùn)行時，各部分損耗最終都會轉(zhuǎn)變成熱能，使得電機(jī)各個部分溫度升高，進(jìn)而直接影響電機(jī)的壽命和運(yùn)行可靠性。因此對電機(jī)溫度場進(jìn)行仿真分析，對電機(jī)的設(shè)計和運(yùn)行中的狀態(tài)監(jiān)測都十分重要［1］。

本文應(yīng)用Ansys workbench來仿真電機(jī)工作狀況下的溫度場，根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)和通風(fēng)系統(tǒng)的對稱性，對電機(jī)的部分零件進(jìn)行仿真，為電機(jī)的相關(guān)研究作理論探索。

2 電機(jī)的理論模型

2.1 電機(jī)溫度場的數(shù)學(xué)傳熱模型

電機(jī)運(yùn)行時，內(nèi)部三維溫度場負(fù)荷傅立葉導(dǎo)熱定律，由導(dǎo)熱定律和能量守恒方程可知電機(jī)內(nèi)部導(dǎo)熱微分方程［2－5］為：

式中，ρ為物質(zhì)的密度；Cp為物質(zhì)的比熱容；t為時間；τT為溫度場梯度；λ為物質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù)；φv為物體內(nèi)熱源；x、y、z為方向。

2.2 熱仿真定義

仿真考慮電機(jī)的銅耗和鐵耗，將電機(jī)熱負(fù)荷以熱密度的形式施加到電機(jī)生熱部件上，對其機(jī)殼外表面施加空氣自然對流散熱條件，對冷卻介質(zhì)與水道的接觸面、繞組外端面、定子鐵芯施加強(qiáng)制對流換熱條件，設(shè)置環(huán)境溫度為22℃。

表1 生熱部分熱密度

表2 電機(jī)材料熱性能參數(shù)

3 仿真結(jié)果及分析

通過仿真得到電機(jī)定子、轉(zhuǎn)軸等相關(guān)橫截面溫度場分布圖，如圖1所示。用電機(jī)材料熱性能參數(shù)分析截面通熱量和相應(yīng)的溫度。

由圖1每幅圖下的熱度進(jìn)度條可以看出，最左邊是深藍(lán)色，深藍(lán)色代表最低溫度；最右邊是紅色，紅色代表最高溫度。進(jìn)度條上的顏色對應(yīng)定子橫截面上的顏色。分析10s到160s電機(jī)定子溫度，可知電機(jī)運(yùn)行時間與溫度成正比，在某個時間段電機(jī)溫度不再上升，電機(jī)運(yùn)行對氣隙溫度影響不大，定子截面中關(guān)于中心軸對稱的位置溫度都相同，離中心軸越近，溫度越高；離中心軸越遠(yuǎn)，溫度越低。原因是轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸的高速旋轉(zhuǎn)是產(chǎn)生熱源的主要因素，而且由于轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸是實(shí)心的，溫度上升快，降低慢，散熱不理想。熱源由中心軸向外散熱的過程中，溫度在逐漸降低。

圖1 定子橫截面溫度場分布云圖

圖2 電機(jī)截面通熱量和溫度

圖2所示是電機(jī)截面通熱量和截面溫度的仿真圖像，截面由不同的部件組成，部件的熱密度越大，相應(yīng)的溫升就越高。轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)軸的高速旋轉(zhuǎn)是產(chǎn)生熱源的主要原因，熱源由中心軸向外散熱的過程中，溫度在逐漸降低。所以由中心軸向外延伸的截面，溫度越來越低，仿真圖像也證實(shí)了理論分析。但是不同的部件都關(guān)于中心軸對稱，所以同一部件的溫度在不同位置都相同，由圖2可知軸向1／4位置和軸向3／4位置的截面溫度是一樣的。同理，相應(yīng)的截面通熱量也相同。

4 環(huán)境溫度對電機(jī)的影響

表3所示為環(huán)境溫度對負(fù)荷的影響。圖3所示為電機(jī)環(huán)境溫度與電機(jī)效率的仿真結(jié)果。圖4所示為電機(jī)環(huán)境溫度與轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的仿真結(jié)果。圖5所示為電機(jī)環(huán)境溫度與轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果。

表3 環(huán)境溫度對負(fù)荷的影響

電動機(jī)的允許溫升是與電動機(jī)的絕緣等級規(guī)定的環(huán)境溫度相關(guān)的（A級規(guī)定35℃，其他等級為40℃）。在電源電壓額定的條件下，當(dāng)環(huán)境溫度低于規(guī)定溫度時，可適當(dāng)通過增加負(fù)載來增加電動機(jī)輸出功率，電動機(jī)溫升不會超過允許溫升，不會影響電動機(jī)正常運(yùn)行；當(dāng)環(huán)境溫度高于規(guī)定溫度時，電動機(jī)就必須減小輸出功率（減小負(fù)載），以保證電動機(jī)長期運(yùn)行不導(dǎo)致溫升過高。圖3至圖5可以顯示出電機(jī)環(huán)境溫度越高，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、效率降的

圖3 電機(jī)環(huán)境溫度與電機(jī)效率的仿真結(jié)果

圖4 電機(jī)環(huán)境溫度與轉(zhuǎn)矩倍數(shù)的仿真結(jié)果

圖5 電機(jī)環(huán)境溫度與轉(zhuǎn)速的仿真結(jié)果

越低，呈正比關(guān)系沒有下限，所以電機(jī)運(yùn)行中，一定要嚴(yán)格控制環(huán)境溫度，以免影響電機(jī)性能。

5 結(jié)論

本文結(jié)合傳熱學(xué)知識，在理論分析的基礎(chǔ)上，用Ansys workbench仿真軟件對電機(jī)的部件進(jìn)行溫度場仿真，仿真了溫度場分布云圖，電機(jī)的截面通熱量和溫度。分析了環(huán)境溫度對負(fù)荷、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電機(jī)效率的影響。了解電機(jī)的溫升情況，為電機(jī)的相關(guān)研究作理論探索。

［1］邰 永，劉趙淼.感應(yīng)電動機(jī)全域三維瞬態(tài)溫度場分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，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］李偉力，李守法，謝 穎，等.感應(yīng)電動機(jī)定轉(zhuǎn)子全域溫度場數(shù)值計算及相關(guān)因素敏感性分析［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報，2007，27（24）；85－91.

［5］和偉超，吳建華.電動汽車驅(qū)動電機(jī)水冷系統(tǒng)的設(shè)計及其溫度場分析［J］.輕工機(jī)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，電氣工程專業(yè)，現(xiàn)從事電機(jī)的設(shè)計和控制研究。