電機溫度場的仿真與分析

姚光久

（廣東工業大學，廣東廣州510006）

電機溫度場的仿真與分析

姚光久

（廣東工業大學，廣東廣州510006）

利用傳熱學基本理論，結合電機結構特點，建立了電機定子三維瞬態導熱模型，對中小型電機定子三維瞬態溫度場運用Ansys Workbench進行了仿真。

溫度場；傳熱學；環境溫度

1 引言

電機正常運行時，各部分損耗最終都會轉變成熱能，使得電機各個部分溫度升高，進而直接影響電機的壽命和運行可靠性。因此對電機溫度場進行仿真分析，對電機的設計和運行中的狀態監測都十分重要［1］。

本文應用Ansys workbench來仿真電機工作狀況下的溫度場，根據電機結構和通風系統的對稱性，對電機的部分零件進行仿真，為電機的相關研究作理論探索。

2 電機的理論模型

2.1 電機溫度場的數學傳熱模型

電機運行時，內部三維溫度場負荷傅立葉導熱定律，由導熱定律和能量守恒方程可知電機內部導熱微分方程［2－5］為：

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

2.2 熱仿真定義

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

表1 生熱部分熱密度

表2 電機材料熱性能參數

3 仿真結果及分析

通過仿真得到電機定子、轉軸等相關橫截面溫度場分布圖，如圖1所示。用電機材料熱性能參數分析截面通熱量和相應的溫度。

由圖1每幅圖下的熱度進度條可以看出，最左邊是深藍色，深藍色代表最低溫度；最右邊是紅色，紅色代表最高溫度。進度條上的顏色對應定子橫截面上的顏色。分析10s到160s電機定子溫度，可知電機運行時間與溫度成正比，在某個時間段電機溫度不再上升，電機運行對氣隙溫度影響不大，定子截面中關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，溫度越低。原因是轉子和轉軸的高速旋轉是產生熱源的主要因素，而且由于轉子和轉軸是實心的，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 電機截面通熱量和溫度

圖2所示是電機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，相應的溫升就越高。轉子和轉軸的高速旋轉是產生熱源的主要原因，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，仿真圖像也證實了理論分析。但是不同的部件都關于中心軸對稱，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，相應的截面通熱量也相同。

4 環境溫度對電機的影響

表3所示為環境溫度對負荷的影響。圖3所示為電機環境溫度與電機效率的仿真結果。圖4所示為電機環境溫度與轉矩倍數的仿真結果。圖5所示為電機環境溫度與轉速的仿真結果。

表3 環境溫度對負荷的影響

電動機的允許溫升是與電動機的絕緣等級規定的環境溫度相關的（A級規定35℃，其他等級為40℃）。在電源電壓額定的條件下，當環境溫度低于規定溫度時，可適當通過增加負載來增加電動機輸出功率，電動機溫升不會超過允許溫升，不會影響電動機正常運行；當環境溫度高于規定溫度時，電動機就必須減小輸出功率（減小負載），以保證電動機長期運行不導致溫升過高。圖3至圖5可以顯示出電機環境溫度越高，電機的轉速、轉矩、效率降的

圖3 電機環境溫度與電機效率的仿真結果

圖4 電機環境溫度與轉矩倍數的仿真結果

圖5 電機環境溫度與轉速的仿真結果

越低，呈正比關系沒有下限，所以電機運行中，一定要嚴格控制環境溫度，以免影響電機性能。

5 結論

本文結合傳熱學知識，在理論分析的基礎上，用Ansys workbench仿真軟件對電機的部件進行溫度場仿真，仿真了溫度場分布云圖，電機的截面通熱量和溫度。分析了環境溫度對負荷、轉矩、轉速、電機效率的影響。了解電機的溫升情況，為電機的相關研究作理論探索。

［1］邰 永，劉趙淼.感應電動機全域三維瞬態溫度場分析［J］.中國電機工程學報，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.感應電動機定轉子全域溫度場數值計算及相關因素敏感性分析［J］.中國電機工程學報，2007，27（24）；85－91.

［5］和偉超，吳建華.電動汽車驅動電機水冷系統的設計及其溫度場分析［J］.輕工機械，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，現從事電機的設計和控制研究。