基于ANSYS永磁無刷電動(dòng)機(jī)的溫度場分析

史忠震,許貞俊,張 宇

(1.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴陽550008;2.貴州省機(jī)械工業(yè)學(xué)校,貴陽550001;3.貴州凱敏博機(jī)電科技有限公司,貴陽520100)

0 引 言

電機(jī)作為動(dòng)力裝置,是各種機(jī)械設(shè)備中不可缺少的一部分。隨著設(shè)備要求的不斷提高,電機(jī)性能也隨之提升,而熱是影響性能提升的主要參數(shù)之一,若電機(jī)產(chǎn)生的熱量超過了絕緣材料允許的最高溫度,輕則加速絕緣層的老化過程,縮短電機(jī)壽命,重則損壞電機(jī)。如果永磁體的工作溫度超過了其允許的最高溫度,則可能導(dǎo)致永磁體退磁,這將嚴(yán)重影響到電機(jī)運(yùn)行是否可靠,最終大大降低其使用壽命,所以電動(dòng)機(jī)整體溫升的掌握對(duì)提高電機(jī)性能,提高電機(jī)壽命非常關(guān)鍵。

目前針對(duì)電機(jī)的溫升計(jì)算,國內(nèi)外一般采用的計(jì)算方法有簡化公式法、等效熱路法、等效熱網(wǎng)格法和溫度場法[3]。其中溫度場法以內(nèi)熱交換定理編寫的一個(gè)關(guān)于熱傳導(dǎo)的微分方程為根據(jù),提供給電機(jī)各部件溫度場計(jì)算所用,并通過分析等效出來的熱路圖來建立起熱聯(lián)系,具有可通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)溫度場計(jì)算、能得到較為精確的計(jì)算值、能夠方便靈活地對(duì)物體剖分以及在處理邊界問題上有較好的靈活性等優(yōu)點(diǎn),已成為計(jì)算電機(jī)電磁場以及溫度場問題的首要方法,本文采用該方法進(jìn)行永磁無刷電動(dòng)機(jī)溫度場分析研究。

本文通過有限元軟件對(duì)永磁無刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行溫度場分布研究,根據(jù)電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了溫度場等效模型,以電機(jī)熱交換邊界條件建立了溫度場邊界,對(duì)此進(jìn)行有限元分析得出永磁無刷電動(dòng)機(jī)各部件溫度場分布,通過實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比得出模型等效方法的正確性和溫度場分析方法的正確性,對(duì)永磁無刷電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù),對(duì)電機(jī)熱場研究精確度提高有十分重要意義。

1 永磁電機(jī)等效模型的建立

1.1 永磁電機(jī)繞組等效模型

在電機(jī)模型簡化過程中,繞組模型的合理性建立是最困難的。若根據(jù)電機(jī)繞組實(shí)際模型去建立,是根本不可能達(dá)到的,即便可以完整的建立,在分析過程中也會(huì)由于網(wǎng)格的劃分問題,不能得到電機(jī)正確的溫度場分布,因此繞組模型的簡化成為電機(jī)模型簡化合理性的關(guān)鍵。前期已對(duì)繞組模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究分析,并得出較為合理的等效方法,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比誤差3.06%,誤差遠(yuǎn)小于工程要求,精度較高。

永磁無刷電動(dòng)機(jī)主要參數(shù):12個(gè)槽,每槽導(dǎo)體數(shù)44個(gè),6線并繞,漆包線線徑為0.5 mm,銅線線徑為0.45 mm,槽滿率為40%。實(shí)際形狀如圖1所示。

圖1 定子實(shí)際結(jié)構(gòu)圖

建立模型前,對(duì)此進(jìn)行相應(yīng)假設(shè):

(1)每個(gè)定子槽嵌入的導(dǎo)線均勻排列,且均溫;

(2)定子疊片內(nèi)的絕緣材料和繞組銅線絕緣材料為完全均質(zhì);

(3)定子疊片內(nèi)部完全填充絕緣漆并且均勻[10];

(4)定子疊片層層無間隙是一個(gè)整體。

其中建立的繞組模型應(yīng)與實(shí)際模型相接近,包括繞組模型面積、重量、槽滿率。

通過以上假設(shè)以及必須遵循的原則建立了以下等效模型,如圖2所示。

圖2 永磁無刷電動(dòng)機(jī)定子等效模型

1.2 永磁電機(jī)整體等效模型

根據(jù)上述電機(jī)定子等效方法建立永磁電機(jī)等效模型。具體等效模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 永磁電機(jī)等效模型

2 永磁電機(jī)溫度場分析

2.1 熱參數(shù)的計(jì)算

在環(huán)境溫度為15℃條件下針對(duì)永磁無刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有限元分析,具體熱參數(shù)為分析可知,熱參數(shù)包括熱源、散熱系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)[4]。

(1)熱源

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得繞組在起始通電流的瞬時(shí)銅耗為23W,當(dāng)通電一定時(shí)間繞組溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這時(shí)銅耗為29 W。即起始和穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)生熱率分別為1.13×106W/m3和1.41×106W/m3。

(2)導(dǎo)熱系數(shù)

該永磁無刷電動(dòng)機(jī)有關(guān)熱傳導(dǎo)系數(shù)如表1所示[4]。

表1 相關(guān)材料熱傳導(dǎo)系數(shù)

(3)散熱系數(shù)

由于該永磁無刷電動(dòng)機(jī)溫度場研究是在室內(nèi),相對(duì)電機(jī)來說可視為無限空間,因此散熱系數(shù)根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[2]:

式中:Gr,θ,l,Pr分別為格拉曉夫系數(shù)、電機(jī)外表面與環(huán)境溫差、電機(jī)與空氣接觸面長度和普朗特系數(shù);β,μ,cp,k分別為空氣的相關(guān)參數(shù):體積膨脹系數(shù)、動(dòng)力粘度、比熱容、傳熱系數(shù)。

其自然對(duì)流換熱系數(shù)根據(jù)公式計(jì)算得出h=6.5W/(m2·℃)。

將上述計(jì)算得到的各部件熱生成率和邊界條件加載求解,通過Ansys有限元軟件的后處理得到永磁無刷電動(dòng)機(jī)各部件溫度分布云圖如圖4所示。

圖4 溫度場分布云圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該分析方法的準(zhǔn)確性,對(duì)該永磁電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析研究。在定子繞線時(shí)將3個(gè)同型號(hào)的溫度傳感器繞于內(nèi)部,但繞放的位置不同,分別放在繞組中心、繞組中和繞組最外層,并在電機(jī)裝配時(shí)將一傳感器繞在后端蓋螺栓上擰緊螺栓,以及在機(jī)殼上粘一個(gè)傳感器以測機(jī)殼溫度。通入穩(wěn)定直流電流6.26 A,記錄起始電壓值。當(dāng)溫度平穩(wěn)時(shí)即達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài),這時(shí)記錄電壓值,并讀取溫度值,其中該永磁電機(jī)的溫度場實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)如圖5所示。

圖5 永磁電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)研究平臺(tái)

將所測溫度數(shù)據(jù)在溫度巡檢儀中提取,整個(gè)測試過程中,溫度巡檢儀每秒采樣一次溫度數(shù)據(jù),將溫度巡檢儀測試的數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL表格中,生成溫度曲線如圖6所示。

圖6 永磁電機(jī)各部件溫度實(shí)驗(yàn)曲線圖

3.2 結(jié)果對(duì)比

將永磁電機(jī)各部件溫升仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比如表2所示,各部件溫度對(duì)比曲線分別如圖7、圖8、圖9 所示。

根據(jù)表2和圖7、圖8、圖9可知,該永磁無刷電動(dòng)機(jī)各部件溫度的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,誤差在10%范圍內(nèi),證明該分析方法滿足工程要求,且具有較好的精度,可以用于指導(dǎo)該類型的永磁電機(jī)溫度場有限元分析,對(duì)永磁無刷電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

表2 對(duì)比表

圖7 機(jī)殼溫度對(duì)比曲線

圖8 后端蓋溫度對(duì)比曲線

圖9 繞組溫度對(duì)比曲線

4 結(jié) 語

1)通過仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,該永磁無刷電動(dòng)機(jī)各部件溫度均低于各部件材料所允許的最高溫度,特別是繞組溫度在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下溫度為85.4℃,遠(yuǎn)小于繞組絕緣的最高溫度,電機(jī)溫升設(shè)計(jì)合理。

2)根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比證明所采用的仿真方法的正確性,特別是進(jìn)一步證實(shí)了繞組模型等效的合理性。

3)永磁無刷電動(dòng)機(jī)各部件溫度的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,誤差在10%范圍內(nèi),證明該分析方法滿足工程要求,且具有較好的精度,可以用于指導(dǎo)該類型的永磁電機(jī)溫度場有限元分析,對(duì)永磁無刷電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

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