基于ANSYS的復(fù)合式磁阻電機(jī)溫度場(chǎng)分析

夏 凡 靳峰雷

（中國原子能科學(xué)研究院核工程設(shè)計(jì)研究所，北京 102400）

0 引言

磁阻電機(jī)是利用磁阻最小原理工作的調(diào)速電機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬，轉(zhuǎn)子上無永磁體和繞組，具有體積小、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)[1]。一般的磁阻電機(jī)為單個(gè)電機(jī)，只有一個(gè)輸出軸，目前國內(nèi)外的文獻(xiàn)大多是對(duì)單個(gè)磁阻電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行研究[2-4]。文獻(xiàn)[5]對(duì)開關(guān)磁阻電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，簡(jiǎn)述了鐵損計(jì)算模型，利用磁-熱單向耦合方法進(jìn)行電機(jī)溫度場(chǎng)分析，給出了電機(jī)主要部件的溫度分布。文獻(xiàn)[6]以三相12/8結(jié)構(gòu)的磁阻電機(jī)為分析對(duì)象，分析了電機(jī)鐵損的計(jì)算方法，計(jì)算出不同電機(jī)極性分布對(duì)電機(jī)損耗的影響，同時(shí)建立了磁-熱單向耦合有限元模型，分析計(jì)算電機(jī)溫升情況。文獻(xiàn)[7]對(duì)反應(yīng)堆控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)在不同工況下進(jìn)行溫升試驗(yàn)，通過試驗(yàn)結(jié)果分析完成了電機(jī)散熱能力評(píng)估。

本文中所研究的磁阻電機(jī)用于某核電廠控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的功能要求多、空間尺寸有限，且要求電機(jī)具有較高可靠性和較長壽命，普通電機(jī)難以同時(shí)滿足以上要求，為此專門研發(fā)設(shè)計(jì)了一種復(fù)合式磁阻電機(jī)作為控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。電機(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生損耗會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽闺姍C(jī)的各組成部分溫度升高，而定子繞組溫度對(duì)繞組絕緣壽命有較大的影響，是電機(jī)可靠性的薄弱環(huán)節(jié)，因此有必要對(duì)復(fù)合式磁阻電機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，然后通過樣機(jī)溫升試驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證仿真分析的正確性，以掌握該電機(jī)溫度場(chǎng)分析及溫升計(jì)算方法，并為電機(jī)的設(shè)計(jì)定型提供理論支撐。

1 電機(jī)運(yùn)行工況及損耗分析

復(fù)合式磁阻電機(jī)主要結(jié)構(gòu)包括主軸電機(jī)和抓手電機(jī)，兩個(gè)電機(jī)同軸布置，每個(gè)電機(jī)都包含轉(zhuǎn)子、定子、定子繞組和接線盒等，兩個(gè)磁阻電機(jī)的定子殼體通過焊接的方式連接起來。電機(jī)的主要功能為主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸上下運(yùn)動(dòng)及將主軸保持在行程任意位置，抓手電機(jī)驅(qū)動(dòng)抓手打開和閉合，主軸電機(jī)和抓手電機(jī)不允許同時(shí)運(yùn)行。電機(jī)所處的環(huán)境溫度為50 ℃，自然冷卻，為保證定子繞組的可靠性和壽命，要求定子溫升不超過80 K。根據(jù)控制棒驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行工況分析電機(jī)運(yùn)行工況，電機(jī)最嚴(yán)酷工況為：主軸電機(jī)以130 r/min驅(qū)動(dòng)主軸上下運(yùn)動(dòng)4.5 min，保持4.5 min，以此為周期持續(xù)2 h運(yùn)行。

電機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生損耗，損耗的能量轉(zhuǎn)化為熱量，傳遞到電機(jī)各部件引起溫度升高。電機(jī)能量損耗主要包括繞組損耗、鐵芯損耗、機(jī)械損耗和雜散損耗，其中機(jī)械損耗和雜散損耗相對(duì)于電機(jī)的整體損耗來說，占比很小，故本文不考慮這兩種損耗。繞組損耗是電機(jī)運(yùn)行時(shí)電流通過繞組產(chǎn)生的，繞組損耗等于電阻與電流平方的乘積。多個(gè)繞組其損耗為各繞組損耗的總和，可用下式計(jì)算[8-10]：

式中：PCu為繞組損耗值；Ii為i相繞組電流；Ri為i相繞組電阻。

磁阻電機(jī)的定子鐵耗是計(jì)算難點(diǎn)，磁阻電機(jī)具有雙凸極的結(jié)構(gòu)特征，電壓和電流都是非正弦波，同時(shí)在電機(jī)運(yùn)行過程中，鐵芯的飽和程度一直變化，這就使得鐵耗計(jì)算更加復(fù)雜[11]。結(jié)合公式計(jì)算和試驗(yàn)得到該電機(jī)的主要損耗數(shù)據(jù)，其最嚴(yán)酷工況下的損耗主要由主軸電機(jī)的定子鐵芯和線圈產(chǎn)生，如表1所示。

表1 最惡劣工況下電機(jī)損耗

2 有限元建模與溫度場(chǎng)分析

利用SolidWorks建立電機(jī)三維簡(jiǎn)化模型，將電機(jī)損耗作為溫度場(chǎng)的熱源，加載邊界條件和設(shè)置材料參數(shù)，通過ANSYS有限元分析進(jìn)行電機(jī)的溫度場(chǎng)分析。

2.1 基本假設(shè)

由于電機(jī)結(jié)構(gòu)和內(nèi)部熱量傳遞比較復(fù)雜，為了方便計(jì)算，對(duì)該電機(jī)有限元分析模型進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化，做出一定假設(shè)：

1）建模時(shí)不考慮電機(jī)中的螺栓螺母緊固件、圓角和倒角等結(jié)構(gòu)；

2）將多匝定子繞組等效為一個(gè)導(dǎo)熱體進(jìn)行整體建模；

3）將定子鐵芯的疊壓硅鋼片當(dāng)成整體建模；

4）定子鐵芯和線圈是主要熱源，依靠熱傳導(dǎo)向外散熱，忽略電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯發(fā)熱量；

5）不考慮材料的導(dǎo)熱系統(tǒng)隨溫度的變化；

6）把流體作為不可壓縮流體處理，控制方程中不包含時(shí)間項(xiàng)；

7）不考慮電機(jī)由于制造工藝所產(chǎn)生的誤差。

2.2 溫度場(chǎng)數(shù)學(xué)模型

在上述假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立電機(jī)溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型[12]：

動(dòng)量守恒方程：

式中：ρ為流體密度；μ為動(dòng)力粘度；p為壓力；u、v、w分別為x、y和z方向的速度分量。

能量守恒方程：

式中：T為溫度；cp為比熱容；k為流體傳熱系數(shù)；ST為粘性耗散項(xiàng)。

質(zhì)量守恒方程：

2.3 有限元建模

采用SolidWorks建立主軸電機(jī)和抓手電機(jī)轉(zhuǎn)子的簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)模型，如圖1和2所示，整個(gè)電機(jī)的簡(jiǎn)化模型如圖3所示。采用ICEM-CFD軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成方法——四面體網(wǎng)格生成技術(shù)，考慮到計(jì)算精度及時(shí)間，對(duì)不同區(qū)域的網(wǎng)格劃分采用不同精度，定子繞組和定子鐵芯溫升較大，網(wǎng)格劃分更細(xì)，其他地方采用略低精度網(wǎng)格劃分。電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算所用的材料物性參數(shù)如表2所示。

圖1 主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖2 抓手電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

圖3 電機(jī)簡(jiǎn)化模型

表2 材料物性參數(shù)表

2.4 有限元分析結(jié)果

根據(jù)上述有限元模型和邊界條件，加載求解電機(jī)的溫度場(chǎng)，得出溫度場(chǎng)仿真分析結(jié)果。在環(huán)境溫度50 ℃下，電機(jī)運(yùn)行4.5 min時(shí)，磁阻電機(jī)軸截面溫度云圖、主軸電機(jī)定子線圈溫度云圖及抓手電機(jī)定子線圈溫度云圖分別如圖4～6所示。從圖中可以看出，電機(jī)運(yùn)行4.5 min時(shí)，主軸電機(jī)最高溫度約54 ℃。同時(shí)，還可以看出電機(jī)的傳熱及分布規(guī)律：主軸電機(jī)定子溫度最高，最高溫度處位于主軸電機(jī)定子中部，抓手電機(jī)最高溫度位于抓手電機(jī)定子端部，該部位與主軸電機(jī)定子緊密連接，熱量通過主軸電機(jī)熱傳導(dǎo)過來。

圖4 4.5 min時(shí)電機(jī)軸截面溫度云圖

圖5 4.5 min時(shí)主軸電機(jī)線圈溫度云圖

圖6 4.5 min時(shí)抓手電機(jī)線圈溫度云圖

當(dāng)電機(jī)運(yùn)行4.5 min，保持4.5 min，持續(xù)運(yùn)行2 h后，電機(jī)各部件溫度逐步升高，磁阻電機(jī)軸截面溫度云圖、主軸電機(jī)線圈溫度云圖及抓手電機(jī)線圈溫度云圖分別如圖7～9所示。從圖中可以看出，主軸電機(jī)定子溫度最高，主軸電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度其次，然后是抓手電機(jī)，說明電機(jī)運(yùn)行過程中，定子繞組和鐵芯產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流方式逐步向主軸轉(zhuǎn)子和抓手電機(jī)傳遞。

圖7 運(yùn)行4.5 min，保持4.5 min，持續(xù)運(yùn)行2 h后電機(jī)軸截面溫度云圖

圖8 運(yùn)行4.5 min，保持4.5 min，持續(xù)運(yùn)行2 h后主軸電機(jī)線圈溫度云圖

圖9 運(yùn)行4.5 min，保持4.5 min，持續(xù)運(yùn)行2 h后抓手電機(jī)線圈溫度云圖

主軸和抓手定子線圈最高溫度隨時(shí)間的變化曲線如圖10所示。從有限元分析結(jié)果可以看出，主軸電機(jī)定子線圈溫度由50 ℃上升到114 ℃，溫升64 K，抓手電機(jī)定子線圈最高溫度為74 ℃，溫升24 K，均滿足溫升限值80 K的要求。

圖10 主軸和抓手定子線圈最高溫度隨時(shí)間的變化曲線

2.5 溫升試驗(yàn)

由于復(fù)合式磁阻電機(jī)結(jié)構(gòu)和傳熱特性的復(fù)雜性，溫度場(chǎng)有限元分析有可能出現(xiàn)一定的偏差，還需通過樣機(jī)的溫升試驗(yàn)來驗(yàn)證分析和計(jì)算的準(zhǔn)確性。采用一臺(tái)1∶1的復(fù)合式磁阻電機(jī)樣機(jī)作為試驗(yàn)對(duì)象，利用伺服電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架對(duì)樣機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)。伺服電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架主要由臺(tái)架主體、加載用伺服電機(jī)、轉(zhuǎn)矩傳感器等部件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖11所示。該伺服電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架可對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行靜態(tài)轉(zhuǎn)矩、動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩、溫升試驗(yàn)等一系列功能性能試驗(yàn)。

圖11 伺服電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架結(jié)構(gòu)圖

將電機(jī)安裝在伺服電機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上，按照實(shí)際工況設(shè)置電機(jī)負(fù)載，使電機(jī)按照運(yùn)行4.5 min，保持4.5 min的工況循環(huán)運(yùn)行2 h，在電機(jī)表面貼有溫度傳感器記錄表皮溫度，試驗(yàn)過程中使用數(shù)字雙臂直流電橋測(cè)量電機(jī)定子繞組的電阻值，通過電阻法計(jì)算電機(jī)的動(dòng)態(tài)溫升值。將電機(jī)溫升試驗(yàn)數(shù)據(jù)與溫升計(jì)算結(jié)果比對(duì)，主軸電機(jī)定子線圈溫升試驗(yàn)值為60.3 K，溫升計(jì)算值為64 K，試驗(yàn)值略小于計(jì)算值，驗(yàn)證了溫度場(chǎng)分析的正確性和有效性。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)復(fù)合式磁阻電機(jī)功能和運(yùn)行工況的分析，確定了電機(jī)最惡劣運(yùn)行工況，并對(duì)該工況下電機(jī)熱源及其分布進(jìn)行分析，計(jì)算出了電機(jī)損耗。利用SolidWorks建立電機(jī)簡(jiǎn)化模型，基于ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行電機(jī)的溫度場(chǎng)分析，最后對(duì)試驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)以驗(yàn)證溫度場(chǎng)分析的準(zhǔn)確性。通過本文的研究分析，可以得出以下結(jié)論：

1）電機(jī)最嚴(yán)酷工況下的損耗主要由主軸電機(jī)的定子鐵芯和線圈產(chǎn)生，通過計(jì)算和試驗(yàn)得出電機(jī)損耗作為溫度場(chǎng)分析的熱源輸入。

2）采用有限元方法進(jìn)行電機(jī)溫度場(chǎng)分析，在環(huán)境溫度50 ℃時(shí)，電機(jī)運(yùn)行4.5 min，保持4.5 min，以此為周期運(yùn)行2 h后，主軸電機(jī)定子線圈最高溫度為114 ℃，溫升64 K，抓手電機(jī)定子線圈最高溫度為74 ℃，溫升24 K，滿足溫升限值80 K的要求。

3）對(duì)樣機(jī)進(jìn)行溫升試驗(yàn)，溫升試驗(yàn)結(jié)果為60.3 K，與溫升計(jì)算結(jié)果較為接近，驗(yàn)證了溫度場(chǎng)分析的正確性。

4）該分析和試驗(yàn)結(jié)果為復(fù)合式磁阻電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論支撐，初步預(yù)判了電機(jī)運(yùn)行的可靠性和安全性。