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基于Ansys的11kW无刷直流电动机温度场分析

来源:北京永光高特微电机有限公司作者:李利网址:http://www.yggtwdj.cn浏览数:4970

摘要:利用Ansys软件研究无流电动机在运行时的发热情况和温度场分布。仿真结果和实验,结果基本一致,说明本文在电机热场分析中采取的方法对于电机设计和分析具有一定的工程应用价值。

0  引  言

   稀土永磁无刷直流电机温升过高会影响它的运行状态,会影响耐热能力薄弱的绝缘材料,使其寿命缩短,甚至烧毁,所以在电机设计和分析中了解其发热情况,比较准确地计算温度场具有实际意义。但是由于电机结构、散热条件等因素,给温度的计算带来一定的困难,而且目前传统的温度场分析大多数都从整体考虑,计算的结果多为平均值。利用Ansys有限元计算软件并通过其后处理器post 26和postl的应用就可以比较好地解决这一问题。本文通过Ansys软件中热分析模块的应用对实际电机温度场进行二维分析;通过温度分布云图和温升曲线来了解电机在运行时的温度场分布情况。

1  电机材料和热参数选取

1.1材料选取

   电机各部分材料分别如下所示。

   轴:钢;绕组导线牌号:QY一2;磁轭材料:DW465—50;磁钢材料:NSC27G;其物理特性为:硅钢片材料密度:7.65千克/立方厘米;磁钢材料密度:8.3千克/立方厘米;导线密度:8.9千克/立方厘米;空气的密度:1.165千克/立方厘米:硅钢片导热系数:40;磁钢导热系数:l.9;导线导热系数:376;空气导热系数:0.0267

1.2对流率

   由于对流和导热是电机热量传递的主要途径,应用Ansys软件时把对流率作为主要的边界条件。对流传热现象不仅取决于流动物体的运动性质、运动速度和固体表面形状,还取决于流体的物理性质。运用的基本公式为牛顿换热定律:q=a(T一T)=a△T    (1)式中,q为热流密度,T1为发热体表面温度,T2为流体介质温度,a为对流换热系数。

   (1)定子内圆与线圈表面的传热系数在此过程中可以近似无轴向气流,所以可按照气流掠过大平壁的计算方法来处理: (2) (3) (4)式中ω为风速;L为风道长度;Pr为空气的普朗特常数;ReL为雷诺数,包含着流速的影响;Nu为雷诺数,包含着流体流速的影响;Nu为努塞特数;ah传热系数;g为重力加速度;λ为空气的热传导系数a

   (2)电机气隙表面散热系数

   电机气隙的冷却一面受转子切向运动的影响,一面则受定子内圆表面的阻滞作用。因此,气隙中的气流切向速度呈双曲线分布。根据经验公式,其表面的传热系数可表示为: (5)式中,aδ气隙表面传热系数[W/(㎡·k)];ωδ为气隙平均风速,一般 ;u2为转子圆周速度。

   (3)当电机机座壁向周围空间自然传热时,假设机座壁外表面温度定义和室外温度相同,均为初始温度,则表面传热系数应按下式计算: (6)式中,a0为发热表面在平静空气中的换热系数,近似等于14;ν为空气吹拂外表面的速度;k为气流吹拂效率的系数,近似等于0.5;θ为机座壁外表面的温度。

   代入以上数据,公式(6)写为:

   如果吹拂机座壁的风速为0 m/s,则传热系数公式(6)变为:

1.3生热率

   生热率的物理定义是单位时间内单位体积中内热源的生成热:Q=Wq∕V (7)式中,Wq为热损耗;V为材料体积。

   在电机发热过程中主要的内热源就是铜耗和铁耗。

   (1)铜耗计算 (8)式中Ix为相绕组电流的有效值;Rx相绕组电阻值。

   (2)铁耗的计算:PFe=KaPFeGFe式中,Ka由于硅钢片加工,磁通密度分布不均,以及其不随时间正弦变化等原因而引起损耗增加的系数;PFe单位质量的损耗,也称比损耗;GFe为铁心净用铁量。

2电机发热过程计算

   本文应用Ansys软件中的热模块对实际电机进行瞬态热分析,其中利用APDL语言进行编程。图1为热分析流程图。

    图1热分析流程图

   文中所用电机为11 kW稀土永磁无刷直流电动机。额定电压:270V—DC;额定转速:8 000 r/min。

   为了简化分析,假设:

 (1)本文是二维温度场分析,无法考虑轴承损耗对温度变化起的作用,所以机械损耗忽略不计;

 (2)铁心损耗主要为定子铁心损耗,忽略不计转子铁心中产生的铁心损耗。对该样机进行的瞬态热分析,具体步骤为:

   (1)建模

   确定工作文件名,热分析单元、单位,进入前处理器。

   (2)构建几何模型

   主要尺寸:电枢内径:9.8 crn;电枢外径:15.5 cm;极对数:2;气隙宽度:0.12 em;转于铁心长:9 cm;磁钢磁化方向厚:1 em结构参数:定子齿数:36;磁钢类型:瓦片径向充磁;定子齿槽形:开口底半梨形槽。

   图2为依据以上参数所建立的几何模型。

   (3)输人材料属性:

   定义单元类型并设置单元参数,按照上节中的材料参数设定。

   本文中温度场分析用的是plane55热分析单元,其中维数是2维,自由度是温度,节点数目是4个。

(4)剖分:    

划分网络,生成有限元模性。

   电机的网格划分比较复杂,不同的区域的精度不同,温升变化大的地方网格需要细致划分,其他地方可以粗略一些。经过反复尝试,最终的网格划分如图3所示。

    图2电机儿何模型     图3电机剖分图

   (5)施加边界条件和载荷,加载求解

   直接在实体模型上施加的热荷载包括初始温度、热流率、对流、热流密度和生热率。其中温度作为自由度约束施加于温度巳知的边界上;对流边界条件作为面荷载施加于实体的外表面,计算流体的热交换;生热率作为体荷载施加于单元上,可以模拟化学反应生热或电流生热。它的单位是单位体积的热流率。

   边界条件主要是先赋各个节点的初始温度值。此时取常温24℃。完成温度赋值之后,添加对流条件,还有生热率这些热载荷。

   通过上节公式,可分别求出各部分的传热系数和生热率,在运算时,根据实际电机设计的额定铜耗铁耗算出生热率。其中,Pcu电枢铜损:136瓦,PFe电枢铁损:535瓦。

   将结果代入上节中的公式,施加到边界条件中,进行下一步计算。

   (6)设置瞬态热分析初始条件

   设定荷载步选项。荷载步选项包括每一个荷载步结束时的时问、每个荷载步的荷载子步数、迭代次数、自动时间步长、时间积分效果等。

   每一个子步默认的迭代次数为25次。这对大多数非线性热分析足够用,所以自动时间步长选项打开。

   Ansys进行热分析的过程实际上是先将待处理的对象划分成有限个单元,其中包括了若干的节点,然后基于传热学经典理论能量守恒原理的热平衡方程,求解一定边界条件和初始条件下每一节点处的热平衡方程,由此计算出各节点的温度。进而求解出其它相关量。

   (7)后处理

   进入通用后处理器,对瞬态热分析的结果进

   Ansys提供两种后处理方式进行瞬态热分析的结果后处理。通过通用后处理器(postl),可以对整个模型在某一时间点的结果进行处理。通过时间历程后处理器(post26)可以看出变量随时间变化的曲线。见图4。

3仿真结果与实际情况比较分析

   从仿真云图(图5)中可以看出温度场仿真的最高温度出现在线圈绕组附近,大约94℃。这是因为绕组绝缘及绝缘介质的导热系数很小,而且线圈绕组是一个大功率损耗的发热源。在中间的气隙温度也很高,因为电机在高速运转时,产生很大的风磨损耗,而且靠绕组比较近,不能及时将热量散出。其温度约为95℃。

 图4电机求解及后处理过程     图5电机发热仿真云图

   电机运行时发热均来自其损耗。其中定子和绕组既是发热部件又是传热部件,别的部件是传热部件。随着电机温度的升高,它与周围介质之间的温度差逐渐增大,散失到周围介质中去的热量相应的也逐渐增多,本身温升升高的速度则逐渐变慢,最后电机产生的全部热量都传给周围介质,达到了热稳定状态。通常每小时温度变化小于1℃时,即认为已达到热稳定状态。

   从温升曲线(图6)中可以看出样机在运行一段时间后的温升最大值达到了94℃。实验中测出的数据为运行10钟以后也达到96.1℃,所以计算结果与实验结果基本相一致,因此文中应用Ansys有限元软件热分析模块处理电机温升的方法可为电机的设计提供参考。

 图6电机温升仿真曲线

4结语

   利用Ansys软件,根据本文介绍的方法对电机进行热场分析和计算,全面了解其内部具体温升情况。从样机温度场的仿真分析结果看出,电机模型各部分的温度分布趋势与理论分析基本一致。由此可见,用文中所提出的方法对电机进行热场分析是行之有效的。今后还可以继续应用Ansys自带的APDL语言编写代码,为同类型电机的温度场分析提供便利。对于其他电机也能用类似的分析方法来处理,这对于深入认识电机内部的温升情况有一定的指导意义。

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