基于ANSYS電機定子繞組熱模型等效方法的分析研究

基于ANSYS電機定子繞組熱模型等效方法的分析研究

史忠震

(貴州交通職業技術學院,貴州貴陽550008)

摘要：根據電機繞組實際分布規律，建立了電機繞組兩種等效模型，同時運用ANSYS有限元分析軟件分別對該兩種等效模型進行溫升分析研究，并通過溫升實驗研究來得出兩種等效模型中較為合理的繞組熱模型。該繞組模型等效方法的得出為永磁電機有限元分析模型合理性建立有一定的參考意義。

關鍵詞:電機繞組等效模型溫度場有限元

中圖分類號：TM33;TM351文獻標識碼：A

作者簡介：史忠震(1988-)，漢，山東濟寧人，碩士研究生，主要研究方向為現代制造工藝及裝備。

收稿日期：2014-12-30

Analytical investigation on the equivalent method of motor stator winding’s

thermal model based on ANSYS

SHI Zhongzhen

Abstract:According to the actual distribution of windings, two kinds of motor winding equivalent model were established. Using the finite element analysis software “ANSYS”, the two kinds of equivalent models were put under temperature analysis, and through temperature rise experiment, a reasonably better winding thermal model from the two equivalent model was distinguished. This method provides some reference for the establishment of the finite element analysis model of permanent magnet motor.

Keywords:motor winding；equivalent model；tempterature field；finite element

0引言

電機作為動力源，在電器以及各種機械上得到了廣泛應用，發熱是電機中普遍存在的問題，溫度過高將嚴重影響電機性能和使用壽命[4]。然而在電機設計過程中能有效計算出電機運行時的溫度，有效優化設計，保證電機各部件溫升在要求的范圍內，電機才能安全運行，壽命才能相應提高。

本文以一臺永磁電機定子為例，運用ANSYS有限元分析軟件對其兩種等效模型進行溫升分析研究，并通過溫升實驗研究來得出較為合理的繞組熱模型。該繞組模型的等效方法為電機有限元分析模型合理性建立提供一定的參考意義，為有限元分析精度的提高有一定的指導價值。

1電機繞組的等效模型

以一臺定子槽數為12，每槽導體數264個，槽滿率為40%的永磁電機定子為例。

電機定子的實際模型如圖1所示。

圖1　電機定子的實際模型

在等效建立電機定子模型之前，首先進行一定適當的假設[4]：

1)定子槽內導線排列均勻，并各銅線之間無溫差；

2)定子槽內為完全浸漆，沒有任何氣體存在；

3)槽絕緣與定子槽緊密結合。

繞組模型建立是以每槽的槽滿率為基礎，每槽銅線的面積盡可能的與實際銅線面積相符合，并使銅線總重量與實際重量盡可能相近。

針對該電機定子作了兩種方案的等效模型：

a)忽略掉電機定子槽內的浸漆層，按照每槽槽滿率將定子每槽的繞組等效為一體，外層有槽絕緣和繞組絕緣的混合體包裹，繞組整體形狀為鼠籠式。具體等效模型如圖2所示。

圖2　等效模型一

b)不忽略電機定子槽內的浸漆層，按照每槽槽滿率將定子每槽的繞組等效為一體，外層有槽絕緣、浸漆層以及繞組絕緣的混合體包裹，繞組整體形狀為鼠籠式。具體等效模型如圖3所示。

圖3　等效模型二

2電機定子溫度場有限元分析

利用ANSYS有限元軟件對以上兩種等效模型進行溫升研究。

2.1電機定子各部件熱參數的確定

在電機溫度場分析中，熱參數包括熱源、各部件的導熱系數以及部件表面的散熱系數[1]。

(1)電機定子熱源

由于只針對單個定子進行溫升研究，繞組銅耗為主要熱源。根據實驗所測數據可知繞組起始阻值為0.547Ω，繞組銅耗為21.47W，穩態時繞組阻值為0.68Ω，繞組銅耗為26.79W。在熱分析中以生熱率的形式加載，即繞組生熱率為1.13×106W/m3和1.41×106W/m3。

(2)電機定子各部件材料導熱系數

該電機定子所涉及到的材料導熱系數：槽絕緣材料聚酰胺薄膜λa=0.35W/(m·K)；浸漆層絕緣材料聚酯改性有機硅浸漬λb=0.15W/(m·K)；繞組絕緣為F級絕緣λF=0.26W/(m·K)。繞組銅的導熱系數λT=317W/(m·K);電機定子鐵心的縱向導熱系數λx=λy=40W/(m·K)；橫向導熱系數λz=1.5W/(m·K)。

在實際分析中，將多種絕緣材料組成的物體，其導熱系數可以由下式計算可得[1]：

(1)

式中：λeq—等效導熱系數；

δi(i=1,2,3…,n)—各絕緣材料厚度；

λi=(i=1,2,3…,n)—各絕緣材料的導熱系數。

根據式(1)分別計算出等效模型一的槽內絕緣等效導熱系數λeq=0.29W/(m·℃)；等效模型二的槽內絕緣等效導熱系數λeq=0.17W/(m·℃)。

(3)部件表面的散熱系數

由于該定子外部沒有強迫對流裝置，因此各表面的對流方式均為自然對流。

在無限大空間內傳熱面為橫圓柱的自然對流傳熱系數可通過下述經驗方程計算可得[2]：

(2)

當104

Nu=0.525 (Pr·Gr)0.25

(3)

當109

Nu=0.129(Pr·Gr)0.33

(4)

式中：Gr-格拉曉夫系數；Pr-普朗特系數；Nu-努塞爾系數；g-重力加速度(m/s2)；μ-空氣動力粘度kg/(s·m)；ρair-空氣密度kg/m3；k-空氣導熱系數W/(m·℃)；cp-空氣比熱容kJ/kg·℃；θ-電機外表面與空氣的溫差(℃)；L-電機外表面長度(m)；β-空氣的體積膨脹系數。

由于環境溫度為15℃，根據上式計算可得電機定子與環境接觸表面對流換熱系數 。

2.2電機定子溫度場計算

利用ANSYS有限元軟件對以上兩種等效模型進行溫升研究，將上述熱載荷和邊界條件加載求解，通過軟件后處理分別得到兩種等效模型中電機定子繞組的溫度場分布云圖分別如圖4(a)、(b)所示。

圖4　等效模型繞組溫度場分布云圖

3電機定子溫度場的實驗研究

為了驗證以上兩種定子繞組等效模型的合理性，對其進行溫度場實驗研究。

在做實驗之前，將三個熱電偶溫度傳感器分別埋在定子兩個槽內繞組的不同位置，即繞組最里層、繞組中層以及繞組上層，分別記作探頭1、探頭2以及探頭3。

3.1實驗平臺的建立

實驗步驟[6]:

1)將實驗裝置連接好，其中將定子繞組兩相串聯在一起。

2)用熱電偶溫度計測量電樞鐵芯表面，繞組端部表面的初始溫度，以及周圍1 m內空氣的溫度(作為仿真時的環境溫度)。

3)給電樞繞組直接通6.26A的直流電流，并保持電流不變，記錄下起始電壓值，以計算起始繞組阻值。

4)通入電流6 h以上，待10 min內溫度波動小于0.5℃，使繞組溫度已達熱穩定狀態。

5)在溫度巡檢儀上讀取兩個熱電偶溫度計的讀數，即定子處于穩態時繞組溫度值。

定子溫升實驗研究平臺如圖5所示。

圖5　定子溫升實驗研究平臺

3.2實驗數據的提取

將繞組溫度測試數據在溫度巡檢儀中提取，從儀器中得到的溫度如圖6所示。根據圖6中的測試曲線可知，定子繞組大約在通入6.26A電流6 h后溫度達到穩定狀態，穩定后繞組的最高溫度出現在繞組最里層，即通道3繞組最高溫度為124.6℃，其余兩個位置繞組的溫度分別為122.7℃、121.3℃，計算可得兩處繞組的平均溫度為122.8℃。

圖6　定子繞組的溫度測試曲線

3.3定子兩種等效模型溫升分析值與實驗值對比

將以上兩種定子等效模型的仿真所得數據與實驗所得數據進行對比分析，驗證兩種等效模型的仿真結果誤差是否在工程要求范圍內，從而驗證定子模型等效的合理性，其中仿真所得數據與實驗所得數據對比如表1所示。

表1　仿真數據與實驗數據對比表

通過表1可知：1)定子等效模型一的繞組仿真平均溫度誤差為-22.67%，最高溫度、最低溫度以及平均溫度誤差較大，遠遠高于實際工程要求的誤差10%。2)定子等效模型二的繞組仿真最高溫度誤差為8.71%，該誤差相對較小滿足實際工程應用中誤差不超過10%，但是該模型的最低溫度和平均溫度誤差均接近10%。

模型一與模型二相比，模型二的等效方法較為合理，在工程要求不高的情況下，可以運用模型二的等效方法來用于定子繞組的簡化建立，從而用于研究電機的溫度場。

4結論

1)分析可知電機定子槽內絕緣對整體溫升影響較大，由于其絕緣材料的導熱系數較小，任何一絕緣層均不可忽略，本文采用導熱系數等效方法和槽內絕緣分層的方法來簡化可以減小誤差。

2)根據表1仿真數據和實驗數據對比可知：模型一與模型二相比，模型二的等效方法較為合理，誤差接近10%，在工程要求不高的情況下，可以運用模型二的等效方法來研究電機的溫度場。

3)針對一臺永磁電機定子溫度場有限元分析數據和實驗數據對比，得到了相對較為合理的有限元繞組熱模型等效方法。該繞組熱模型等效方法的得出為永磁電機有限元分析模型合理性建立有一定的參考意義，為有限元分析精度的提高有一定的指導價值。

參考文獻

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