電機線圈與碳刷接觸副溫度場有限元分析

周陽，丁濤，孫志高，羅海洋

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電機線圈與碳刷接觸副溫度場有限元分析

周陽，丁濤*，孫志高，羅海洋

（湖北工程學院 機械工程學院，湖北 孝感 432000）

以RS775-3860型直流電機為研究對象，利用Pro/E軟件建立三維模型，再利用ANSYS Workbench有限元分析軟件對電機線圈與碳刷接觸副三維溫度場進行有限元仿真分析。結(jié)果表明：電機額定電壓下空載正常工作時，電機損壞的主要原因是由于電機碳刷的磨損；電機額定電壓下由于發(fā)生故障堵轉(zhuǎn)，此時電機損壞的主要原因為電機線圈溫度過高而燒壞。電機啟動時由于摩擦和轉(zhuǎn)子線圈電阻較大，導致啟動時電機升溫速度較快。定期維護電機并更換電機碳刷等易損壞零部件可延長電機壽命。

電機；接觸副；線圈；碳刷；溫度場

電機作為機械系統(tǒng)的重要構(gòu)成，為提高其壽命對電機線圈和碳刷接觸副溫度場進行分析尤為重要。電機在相對運動的過程中，難以避免地會將部分動能轉(zhuǎn)換成熱能，當高速運轉(zhuǎn)時，大量的熱能無法及時散去，直接后果是必然將引起線圈和碳刷接觸副的溫度急劇升高，從而產(chǎn)生摩擦熱影響電機正常工作職能，嚴重時甚至破壞電機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)[1]。

近年來，大量學者對不同的電機溫度場進行了研究分析[2-4]，研究表明電機損壞70%以上都是由于熱量引起，而熱量的產(chǎn)生大部分來自于電機線圈和碳刷接觸副，對于碳刷來說溫度分布不均內(nèi)部會產(chǎn)生約束力，從而產(chǎn)生熱應力。當熱應力過大時就會出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的損壞，如碳刷翹曲、局部氧化等，甚至會出現(xiàn)電機燒壞機械停止工作的情況[1,4-6]。張彪[7]研究了直流電機碳刷接觸面大小對電機的影響表明，在實際應用中適當增加電機碳刷與換向器接觸面積可以提高電機壽命，而對電機線圈與碳刷接觸副在空載和故障堵轉(zhuǎn)時的溫度場分析很少見報道。

本文對RS775-3860型直流電機進行研究，依照傳熱學原理對電機模型進行簡化，使用ANSYS Workbench 16.0軟件對電機線圈與碳刷接觸副溫度場進行仿真分析[8-10]。對電機線圈與碳刷接觸副在額定電壓下空載運行時的穩(wěn)態(tài)溫度場、額定電壓下堵轉(zhuǎn)時的穩(wěn)態(tài)溫度場和啟動時瞬態(tài)溫度場進行分析，為電機線圈與碳刷接觸副的優(yōu)化設(shè)計提出改進建議。

1 模擬準備

1.1 模型的建立

圖1為RS775-3860型直流電機整體裝配圖。為保證溫度場仿真分析計算精度，依據(jù)傳熱學相關(guān)原理對電機線圈與碳刷模型進行適當優(yōu)化，從而提高工作效率和減少計算時間，圖2為簡化后的電機線圈與碳刷模型。

圖1 電機整體裝配圖

1.軸2.轉(zhuǎn)子鐵芯3.轉(zhuǎn)子線圈4.換向器5.碳刷

1.2 材料參數(shù)

進行電機線圈與碳刷接觸副溫度場仿真分析之前，首先對組成電機的各部分材料屬性進行定義，表1為20℃時的材料參數(shù)。

表1 電機主要材料在20℃的參數(shù)

1.3 網(wǎng)格劃分

將電機三維模型導入ANSYS Workbench 16.0，分析選用結(jié)構(gòu)單元PLANE 223單元進行網(wǎng)格劃分。該單元適用于多種耦合分析，且能減小仿真計算的精度和數(shù)值與實際值之間的誤差，圖3為電機簡化模型網(wǎng)格劃分。

圖3 電機模型網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與討論

2.1 三維穩(wěn)態(tài)溫度場仿真分析

圖4為電機在額定電壓下電機空載工作60 s穩(wěn)態(tài)溫度場。可知電機溫度最高點在電機碳刷處，轉(zhuǎn)子線圈溫度僅低于電機碳刷，轉(zhuǎn)子鐵芯處溫度最低；從電機線圈與碳刷接觸副的局部溫度場可以看出，電機工作時電機碳刷與換向器二者高速摩擦，碳刷中心溫度最高，換向器溫度低于碳刷溫度。主要原因是：當電機線圈與碳刷會產(chǎn)生相對滑動、工作電流流過接觸表面時，在摩擦熱和焦耳熱共同作用下碳刷表面接觸處溫度急劇升高，碳刷滑動接觸處的碳會在高溫時會發(fā)生軟化，導致電機碳刷的材料結(jié)構(gòu)會變?nèi)酰罱K發(fā)生高溫脫落而加速磨損。因此，為了降低碳刷磨損提高電機壽命，可以適當增加換向器長度和電機碳刷表面積，或換用自潤滑的碳刷材料。

圖4 電機空載工作60 s穩(wěn)態(tài)溫度場

為探尋轉(zhuǎn)子線圈發(fā)熱對電機的影響，對電機部分線圈正常工作時的穩(wěn)態(tài)溫度場進行分析。圖5為電機34匝線圈在的額定電壓下空載正常工作60 s后的溫度場，可知電機線圈溫度場分布較為均勻，且是電機重要發(fā)熱源。

圖5 空載工作60 s線圈穩(wěn)態(tài)溫度場

比較圖5與圖4可知：電機在額定電壓下空載正常工作時，換向器與碳刷存在高速相對轉(zhuǎn)動，所以該摩擦副處溫度最高。文獻[4,6,11]顯示線圈作為電機正常工作的主要發(fā)熱源，溫度僅低于接觸副處溫度，轉(zhuǎn)子鐵芯熱傳導率很低，所以轉(zhuǎn)子鐵芯溫度總是低于轉(zhuǎn)子線圈，導致溫度不高。因此，電機損壞的主要原是電機碳刷磨損和電機不耐熱絕緣部件的燒壞。

隨即分析電機在額定電壓下故障堵轉(zhuǎn)30 s時的穩(wěn)態(tài)溫度場，如圖6所示，可知此時電機內(nèi)溫度最高處位于轉(zhuǎn)子線圈，此時轉(zhuǎn)子線圈為唯一發(fā)熱源，并通過熱傳遞將熱量傳遞給轉(zhuǎn)子鐵芯等其他零部件。

圖6 電機故障堵轉(zhuǎn)30 s穩(wěn)態(tài)溫度場

比較圖6與圖4可知：電機故障堵轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)子線圈由于電流熱效應產(chǎn)生大量熱量，通過熱傳遞傳給轉(zhuǎn)子鐵芯等其他零部件，最終電機整體溫度急劇升高且超過允許溫度，使得電機內(nèi)部不耐熱的零部件或者轉(zhuǎn)子線圈燒壞。黃伯勇等[11]研究發(fā)現(xiàn)電機通電工作時由于故障發(fā)生堵轉(zhuǎn)對電機損害極大，短時間堵轉(zhuǎn)會縮短電機壽命，時間過長甚至使電機燒壞，因此應當盡量避免該情況發(fā)生。為避免故障堵轉(zhuǎn)造成電機損壞，應該定期對電機維護，選用電阻率較小的線圈材料以及耐熱性較高的新型絕緣材料，從而延遲電機壽命。

2.2 三維瞬態(tài)溫度場仿真分析

對電機啟動過程中的瞬態(tài)溫度場進行仿真分析，圖7為電機在啟動前5 s中四個時間點的溫度場變化，可知電機在啟動過程中，電機線圈通電和摩擦副處高速接觸轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的電流熱和摩擦熱熱量使電機整體溫度升高。

電機啟動初期，轉(zhuǎn)子線圈與鐵芯溫度場呈擴散式均勻分布，整體溫度逐漸升高，隨后熱傳遞使得整體溫度趨于穩(wěn)定。圖8所示電機溫度變化曲線，也可進一步證實電機在開始啟動時升溫較快、慢慢趨于平緩。

圖7 電機啟動瞬態(tài)溫度場

圖8 電機啟動溫度變化

3 結(jié)論

通過對電機線圈與碳刷接觸副溫度場進行仿真分析，得出如下結(jié)論：

（1）電機額定電壓下空載正常工作時，電機線圈與碳刷接觸副處由于摩擦而溫度最高，轉(zhuǎn)子線圈為電機主要發(fā)熱源且溫度總是高于轉(zhuǎn)子鐵芯，此時電機碳刷為最易損壞的零部件。

（2）電機由于故障堵轉(zhuǎn)，電機溫度急劇升高的原因為電流熱效應，該情況對電機損害大，故應該盡量避免。

（3）電機啟動時由于摩擦和轉(zhuǎn)子線圈電阻較大，導致啟動時電機升溫速度較快。

（4）采用增加換向器長度和電機碳刷表面積、使用自潤滑作用的碳刷材料、選用電阻率較小的導線材料和耐熱性更好的新型絕緣材料、定期維護電機并更換電機碳刷等易損壞零部件等方法來延長電機壽命。

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Finite Element Analysis of Contact Temperature Field of Motor Coil and Carbon Brush

ZHOU Yang，DING Tao，SUN Zhigao，LUO Haiyang

(Hubei Engineering University, School of Mechanical Engineering, Xiaogan 432000, China )

Continuous current dynamo whose model is RS775-3860 was chosen as the subject of analyzing in this paper, building the three-dimensional model of electric machine with Pro/E software. By finite element analysis software of ANSYS workbench, conducting the finite element simulation analysis of sub three dimensional temperatures field where motor coil approaches the carbon brush. The result suggested that the main cause of the damage of electric machine is the abrasion of motor carbon brush when the machine is no-load working under the rated voltage. When the motor of electric machine was locked under the rated voltage due to a fault, the main cause of the damage of electric machine is that the temperature of motor coil is too high resulting being burned now. The great friction and rotor coil resistance will lead the motor temperature to rising rather fast when the motor starts up. Regular maintenance of the motor and replacement of motor carbon brushes and other vulnerable parts can extend the life of motor.

motor；contact couple；coil；carbon brush temperature field；finite element analysis

TM33

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.03.012

1006－0316 (2018) 03－0046－04

2017－07－12

湖北省自然科學基金項目（2015CFB369）

周陽（1995－），男，湖北隨州人，本科，主要研究方向為機械設(shè)計。

丁濤（1982－），男，湖北應城人，博士研究生，副教授，主要研究方向為機械設(shè)計及摩擦學。