電機定子繞組熱模型等效方法的有限元分析研究

聶華偉，史忠震，許貞俊

(1.貴州交通職業(yè)技術學院,貴陽 550008；2.貴州省機械工業(yè)學校,貴陽 550001)

?

電機定子繞組熱模型等效方法的有限元分析研究

聶華偉1，史忠震1，許貞俊2

(1.貴州交通職業(yè)技術學院,貴陽 550008；2.貴州省機械工業(yè)學校,貴陽 550001)

通過對實際電機定子繞組結構的分析研究，得出了繞組熱模型的建立方法，并針對電機熱場研究建立了三種簡化模型，運用ANSYS熱仿真系統(tǒng)分析和實驗研究對比得到最為合理的繞組熱模型。得出的簡化模型方法對電機熱場研究精確度提高有十分重要意義，同時對電機相關參數(shù)性能有限元分析等效模型的建立有一定的參考意義。

定子繞組；等效模型；溫升研究；有限元

0 引 言

電機作為動力裝置，在各種機械設備上得到了廣泛應用，也是其不可缺少的一部分，它的性能直接影響著設備的正常運行，而熱是直接影響電機性能的參數(shù)之一，如果溫度超過本身所承受范圍將使電機壽命以及使用性能受到影響，因此在電機設計過程中應對溫度重點考慮。

在電機熱場計算過程中電機模型的等效、熱源以及各部件溫度參數(shù)的計算精度直接影響有限元法的溫度場計算精度，其中熱源以及各部件溫度參數(shù)的計算國內外學者已經做了大量工作，并取得了豐碩的成果，但對于電機有限元簡化模型建立研究不多[12]。在電機模型等效過程中，繞組模型的合理性建立是最困難的，若根據(jù)電機繞組實際模型去建立，是根本不可能達到的，即便可以完整的建立，在分析過程中也會由于網格的劃分問題，不能得到電機正確的溫度場分布，因此繞組模型的等效合理性已成為有限元法研究電機溫升的關鍵。

本文通過運用ANSYS仿真軟件分別對三種簡化模型分析，根據(jù)溫升實驗研究對比得出3種等效模型中最為合理的繞組熱模型。得出的簡化模型方法對電機熱場研究精確度提高有十分重要意義，同時對電機相關參數(shù)性能有限元分析等效模型的建立有一定的參考意義。

1 電機繞組的等效模型

該實驗研究電機定子的具體參數(shù)為：定子槽數(shù)為12，每槽導體數(shù)44個，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%，實際形狀如圖1所示。

圖1 定子實際結構圖

建立模型前，為便于更好的進行有限元分析計算，對此進行相應假設：

(1)每個定子槽嵌入的導線均勻排列，且均溫；

(2)定子疊片內的絕緣材料和繞組銅線絕緣材料為完全均質；

(3)定子疊片內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整體。

其中建立的繞組模型應與實際模型相接近，其中包括繞組模型面積、重量、槽滿率。

通過以上假設以及必須遵循的原則建立了以下等效模型。

模型一：1) 定子疊片簡化成整體；2) 不考慮槽內絕緣層其中的浸漆層；3) 將定子槽內的繞組模型建成一個整體，外部為混合絕緣層；4) 外部空間由空氣包裹。具體模型結構圖如下所示。

圖2 定子模型簡化方案一

模型二：1) 定子疊片簡化成整體；2) 考慮槽內絕緣層其中的浸漆層的存在；3) 將定子槽內的繞組模型建成一個整體，外部為混合絕緣層；4) 外部空間由空氣包裹。具體模型結構圖如下所示。

圖3 定子模型簡化方案二

模型三：根據(jù)定子的實際結構特點建立定子模型。1) 不忽略任何絕緣介質的存在；2) 槽內繞組等效成層狀，每兩個繞組層之間為絕緣層。具體模型結構如圖4所示。

圖4 定子模型簡化方案三

2 電機定子的熱分析

運用仿真軟件ANSYS分別對三種模型進行熱場分析研究。

2.1 熱參數(shù)的計算

分析可知熱參數(shù)包括熱源、散熱系數(shù)以及導熱系數(shù)[10]。

(1)產熱源

該有限元研究電機運行狀態(tài)為靜止情況，因此不存在機械損耗，鐵心損耗相對于繞組銅耗來說忽略不計。根據(jù)實驗所得繞組在起始通電流的瞬時銅耗為21.5 W，當通電一定時間繞組溫度達到穩(wěn)定狀態(tài)，這時銅耗為26.8 W。由于在溫度場分析中熱源加載以生熱率進行加載，因此計算出起始瞬時和穩(wěn)定狀態(tài)時生熱率分別為1.13×106W/m3和1.41×106W/m3。

(2)熱傳導系數(shù)

該電機定子零部件的有關熱傳導系數(shù)如下表所示[10]。

表1 相關熱傳導系數(shù)

根據(jù)經驗公式，多種混合體材料的熱傳導系數(shù)[1]：

(1)

式中：λeq為等效導熱系數(shù)；δi(i=1,2,3,…,n)為每種材料的厚度；λi(i=1,2,3,…,n)為每種材料的熱傳導系數(shù)。

通過以上經驗公式得出3種簡化模型槽內絕緣體的等效導熱系數(shù)分別為：模型一λeq=0.29 W/(m·K)；模型二和模型三λeq=0.17 W/(m·K)。

(3)散熱系數(shù)

由于該電機定子溫度場研究是在室內，相對電機來說可視為無限空間，因此散熱系數(shù)根據(jù)以下經驗公式計算[2]：

(2)

當104

(3)

當109

(4)

式中：Nu，Gr，θ，L，Pr分別為努塞爾系數(shù)、格拉曉夫系數(shù)、電機外表面與環(huán)境溫差、電機與空氣接觸面長度和普朗特系數(shù)；β，μ，k，cp分別為空氣的相關參數(shù)：體積膨脹系數(shù)、動力粘度、熱傳導系數(shù)和比熱容。

由于所測電機定子周圍空氣溫度15 ℃，根據(jù)式(2)、式(3)、式(4)得出與周圍空氣接觸的散熱系數(shù)h=7.1 W/(m2·K)。

2.2 計算結果云圖

將以上求得相關參數(shù)加載分析，分析結果云圖如圖5所示。

(a)(b)

(c)

3 實驗研究

通過實驗研究分析來找出以上3種簡化模型最合理的簡化方法。

在定子繞線時將3個同型號的溫度傳感器繞于內部，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，具體放置位置如圖6所示。

圖6 傳感器放置位置示意圖

3.1 搭建實驗平臺

由于該實驗研究針對溫度場，因此實驗所用裝置主要包括電源(直流穩(wěn)壓)、電壓和電流傳感器、熱巡檢儀以及熱電偶傳感器等組成，分布示意圖如圖7所示。

圖7 分布圖

研究實驗步驟:

(1)根據(jù)定子溫度場實驗研究示意圖將實驗裝置連接。

(2)通入穩(wěn)定直流電流6.26 A，記錄起始電壓值，計算出剛通電流瞬時繞組阻值。

(3)當溫度平穩(wěn)時即達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，這時記錄電壓值并計算出穩(wěn)定狀態(tài)下繞組的阻值。

(4)記錄穩(wěn)態(tài)下溫度值。

連接出實驗研究裝置如下。

圖8 實驗研究裝置

3.2 實驗研究數(shù)據(jù)分析

將儀器中所測熱數(shù)據(jù)導出，并作出統(tǒng)計曲線如下圖所示。

圖9 定子繞組溫度測試曲線圖

根據(jù)圖9分析可知，定子繞組在通入直流電流大約6 h后達到穩(wěn)態(tài)，此時TMAX=124.6，在繞組中心處，其它兩處溫度依次為T1=122.7和T2=121.3，符合實際溫度分布情況，計算得平均溫度122.9℃。

3.3 對比分析

仿真數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)對比如表2所示。

表2 對比表

通過上表得出結論：(1)模型一與實驗對比誤差在 -20%以上，遠高于所要求的±10%工程誤差范圍，誤差較大。分析可知該誤差是由于等效模型將定子槽內的浸漆層忽略，而浸漆層材料的導熱系數(shù)很小，使得定子繞組產生的熱量能夠相對較好的傳遞出去，從而導致仿真出的繞組溫度相對較低。

(2)模型二的繞組各溫度誤差均接近工程要求10%誤差，誤差相模型一較小，但仍不能滿足工程精確度要求高的場合。

(3)模型三的繞組最高溫度、最低溫度和平均溫度與實際實驗數(shù)據(jù)相接近，誤差較小處于工程要求10%范圍內，精度較高。

前兩個簡化模型相比，模型二的誤差較小并且誤差接近工程要求，因此在精度要求范圍低的情況下，這種簡化方法可以采用。對比以上三類等效方法，模型三繞組溫度誤差均處在10%以內，精度相對較高，該等效方法相對較為合理，滿足要求。

4 結 語

1) 通過對三種模型分析數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)分析對比發(fā)現(xiàn)定子槽內絕緣體不能忽略，它對溫度場有較大的影響，這主要歸結于絕緣材料傳到系數(shù)很小，形成隔層，熱量不容易散出去，因此建立等效模型時絕緣層的簡化是十分重要的。

2) 對比三種等效模型可知：通過等效絕緣材料熱傳導系數(shù)和分層簡化方法可以使仿真誤差降低。

3) 根據(jù)實驗研究可得：最接近實際溫度的為第三種簡化模型的熱場分析，誤差均處在10%以內，精度相對較高，該等效方法與實際接近，簡化方法最為合理。模型二的誤差雖在要求范圍之外，但工程要求范圍相接近，因此在精度要求范圍低的情況下，這種簡化方法可以采用。

4) 通過對永磁電機定子溫升實驗研究和有限元分析研究對比得出電機定子熱模型的等效方法，該方法的得出對電機溫度場有限元研究精度的提高有重要意義，同時對電機相關參數(shù)性能有限元分析等效模型的建立有一定的參考意義。

[1] 魏永田,孟大偉.電機內熱交換[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.

[2] Motor Design Ltd.Motor-CAD software manual[Z].Motor Design Ltd,2006.

[3] 鮑里先科 A N,丹科 B T.電機中的空氣動力學與傳熱學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1985.

[4] 才家剛.電機試驗手冊[M].北京：中國電力出社,1997.

[5] 馬少麗.汽輪發(fā)電機定子三維溫度場有限元計算分析[D].保定：華北電力大學(保定)，2007.

[6] TRIGEOL J F,BERTINY,LAGONOTTE P.Thermal modeling of an induction machine through the associationof two numerical approaches[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2006,21(2):314-323.

[7] 史忠震,楊立,李青青,等.永磁直流無刷電動機三維溫度場分析[J].微特電機,2013,41(6):21-23.

[8] 史忠震,楊立,許貞俊,等.基于ANSYS的直流無刷電機模態(tài)分析[J].制造業(yè)自動化,2013,35(17):119-121.

[9] 趙振奎，李勇，徐永向，等.低速永磁力矩電動機發(fā)熱的仿真分析與實驗測試[J].微特電機,2009,37(11):15-17.

[10] 史忠震.基于ANSYS電機定子繞組熱模型等效方法的分析研究[J].現(xiàn)代機械,2015(4):54-57.

[11] 張穎博,王風翔,邢軍強,等.高速永磁電機鐵耗計算方法研究[C]//中國電工技術學會大電機專業(yè)委員會2009年學術交流會.北京：中國電工技術學會大電機專委會，2009.

[12] 任欽.高功率密度永磁電機磁場與溫度場計算[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2009.

Finite Element Analysis and Research of Motor Stator Winding Thermal Model Equivalent Method

NIE Hua-wei1，SHI Zhong-zhen1，XU Zhen-jun2

(1.Guizhou Polytechnic College of Communications,Guiyang 550008,China;2.School of Machinery Industry of Guizhou Province,Guiyang 550001,China)

According to the actual distribution of windings,three kinds of motor winding equivalent model was established.The finite element analysis software ANSYS was used to study on temperature field analysis of three kinds of equivalent models.Through temperature rise experiment research in the three kinds of equivalent model the most reasonable winding thermal model. The winding equivalent thermal model method to the improvement of motor temperature field finite element research precision has a certain guiding value,and finite element analysis for the motor model rationality has certain reference significance.

stator winding; equivalent model; study of temperature; finite element

2015-11-13

TM301.4+1

A

1004-7018(2016)10-0030-04

聶華偉(1984-)，男，博士，研究方向為摩擦、潤滑與表面工程。