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基于Ansys的11kW無刷直流電動機溫度場分析

來源:北京永光高特微電機有限公司作者:李利網址:http://www.zgdlzj.com瀏覽數:3562

摘要:利用Ansys軟件研究無流電動機在運行時的發熱情況和溫度場分布。仿真結果和實驗,結果基本一致,說明本文在電機熱場分析中采取的方法對于電機設計和分析具有一定的工程應用價值。

0  引  言

   稀土永磁無刷直流電機溫升過高會影響它的運行狀態,會影響耐熱能力薄弱的絕緣材料,使其壽命縮短,甚至燒毀,所以在電機設計和分析中了解其發熱情況,比較準確地計算溫度場具有實際意義。但是由于電機結構、散熱條件等因素,給溫度的計算帶來一定的困難,而且目前傳統的溫度場分析大多數都從整體考慮,計算的結果多為平均值。利用Ansys有限元計算軟件并通過其后處理器post 26和postl的應用就可以比較好地解決這一問題。本文通過Ansys軟件中熱分析模塊的應用對實際電機溫度場進行二維分析;通過溫度分布云圖和溫升曲線來了解電機在運行時的溫度場分布情況。

1  電機材料和熱參數選取

1.1材料選取

   電機各部分材料分別如下所示。

   軸:鋼;繞組導線牌號:QY一2;磁軛材料:DW465—50;磁鋼材料:NSC27G;其物理特性為:硅鋼片材料密度:7.65千克/立方厘米;磁鋼材料密度:8.3千克/立方厘米;導線密度:8.9千克/立方厘米;空氣的密度:1.165千克/立方厘米:硅鋼片導熱系數:40;磁鋼導熱系數:l.9;導線導熱系數:376;空氣導熱系數:0.0267

1.2對流率

   由于對流和導熱是電機熱量傳遞的主要途徑,應用Ansys軟件時把對流率作為主要的邊界條件。對流傳熱現象不僅取決于流動物體的運動性質、運動速度和固體表面形狀,還取決于流體的物理性質。運用的基本公式為牛頓換熱定律:q=a(T一T)=a△T    (1)式中,q為熱流密度,T1為發熱體表面溫度,T2為流體介質溫度,a為對流換熱系數。

   (1)定子內圓與線圈表面的傳熱系數在此過程中可以近似無軸向氣流,所以可按照氣流掠過大平壁的計算方法來處理: (2) (3) (4)式中ω為風速;L為風道長度;Pr為空氣的普朗特常數;ReL為雷諾數,包含著流速的影響;Nu為雷諾數,包含著流體流速的影響;Nu為努塞特數;ah傳熱系數;g為重力加速度;λ為空氣的熱傳導系數a

   (2)電機氣隙表面散熱系數

   電機氣隙的冷卻一面受轉子切向運動的影響,一面則受定子內圓表面的阻滯作用。因此,氣隙中的氣流切向速度呈雙曲線分布。根據經驗公式,其表面的傳熱系數可表示為: (5)式中,aδ氣隙表面傳熱系數[W/(㎡·k)];ωδ為氣隙平均風速,一般 ;u2為轉子圓周速度。

   (3)當電機機座壁向周圍空間自然傳熱時,假設機座壁外表面溫度定義和室外溫度相同,均為初始溫度,則表面傳熱系數應按下式計算: (6)式中,a0為發熱表面在平靜空氣中的換熱系數,近似等于14;ν為空氣吹拂外表面的速度;k為氣流吹拂效率的系數,近似等于0.5;θ為機座壁外表面的溫度。

   代入以上數據,公式(6)寫為:

   如果吹拂機座壁的風速為0 m/s,則傳熱系數公式(6)變為:

1.3生熱率

   生熱率的物理定義是單位時間內單位體積中內熱源的生成熱:Q=Wq∕V (7)式中,Wq為熱損耗;V為材料體積。

   在電機發熱過程中主要的內熱源就是銅耗和鐵耗。

   (1)銅耗計算 (8)式中Ix為相繞組電流的有效值;Rx相繞組電阻值。

   (2)鐵耗的計算:PFe=KaPFeGFe式中,Ka由于硅鋼片加工,磁通密度分布不均,以及其不隨時間正弦變化等原因而引起損耗增加的系數;PFe單位質量的損耗,也稱比損耗;GFe為鐵心凈用鐵量。

2電機發熱過程計算

   本文應用Ansys軟件中的熱模塊對實際電機進行瞬態熱分析,其中利用APDL語言進行編程。圖1為熱分析流程圖。

    圖1熱分析流程圖

   文中所用電機為11 kW稀土永磁無刷直流電動機。額定電壓:270V—DC;額定轉速:8 000 r/min。

   為了簡化分析,假設:

 (1)本文是二維溫度場分析,無法考慮軸承損耗對溫度變化起的作用,所以機械損耗忽略不計;

 (2)鐵心損耗主要為定子鐵心損耗,忽略不計轉子鐵心中產生的鐵心損耗。對該樣機進行的瞬態熱分析,具體步驟為:

   (1)建模

   確定工作文件名,熱分析單元、單位,進入前處理器。

   (2)構建幾何模型

   主要尺寸:電樞內徑:9.8 crn;電樞外徑:15.5 cm;極對數:2;氣隙寬度:0.12 em;轉于鐵心長:9 cm;磁鋼磁化方向厚:1 em結構參數:定子齒數:36;磁鋼類型:瓦片徑向充磁;定子齒槽形:開口底半梨形槽。

   圖2為依據以上參數所建立的幾何模型。

   (3)輸人材料屬性:

   定義單元類型并設置單元參數,按照上節中的材料參數設定。

   本文中溫度場分析用的是plane55熱分析單元,其中維數是2維,自由度是溫度,節點數目是4個。

(4)剖分:    

劃分網絡,生成有限元模性。

   電機的網格劃分比較復雜,不同的區域的精度不同,溫升變化大的地方網格需要細致劃分,其他地方可以粗略一些。經過反復嘗試,最終的網格劃分如圖3所示。

    圖2電機兒何模型     圖3電機剖分圖

   (5)施加邊界條件和載荷,加載求解

   直接在實體模型上施加的熱荷載包括初始溫度、熱流率、對流、熱流密度和生熱率。其中溫度作為自由度約束施加于溫度巳知的邊界上;對流邊界條件作為面荷載施加于實體的外表面,計算流體的熱交換;生熱率作為體荷載施加于單元上,可以模擬化學反應生熱或電流生熱。它的單位是單位體積的熱流率。

   邊界條件主要是先賦各個節點的初始溫度值。此時取常溫24℃。完成溫度賦值之后,添加對流條件,還有生熱率這些熱載荷。

   通過上節公式,可分別求出各部分的傳熱系數和生熱率,在運算時,根據實際電機設計的額定銅耗鐵耗算出生熱率。其中,Pcu電樞銅損:136瓦,PFe電樞鐵損:535瓦。

   將結果代入上節中的公式,施加到邊界條件中,進行下一步計算。

   (6)設置瞬態熱分析初始條件

   設定荷載步選項。荷載步選項包括每一個荷載步結束時的時問、每個荷載步的荷載子步數、迭代次數、自動時間步長、時間積分效果等。

   每一個子步默認的迭代次數為25次。這對大多數非線性熱分析足夠用,所以自動時間步長選項打開。

   Ansys進行熱分析的過程實際上是先將待處理的對象劃分成有限個單元,其中包括了若干的節點,然后基于傳熱學經典理論能量守恒原理的熱平衡方程,求解一定邊界條件和初始條件下每一節點處的熱平衡方程,由此計算出各節點的溫度。進而求解出其它相關量。

   (7)后處理

   進入通用后處理器,對瞬態熱分析的結果進

   Ansys提供兩種后處理方式進行瞬態熱分析的結果后處理。通過通用后處理器(postl),可以對整個模型在某一時間點的結果進行處理。通過時間歷程后處理器(post26)可以看出變量隨時間變化的曲線。見圖4。

3仿真結果與實際情況比較分析

   從仿真云圖(圖5)中可以看出溫度場仿真的最高溫度出現在線圈繞組附近,大約94℃。這是因為繞組絕緣及絕緣介質的導熱系數很小,而且線圈繞組是一個大功率損耗的發熱源。在中間的氣隙溫度也很高,因為電機在高速運轉時,產生很大的風磨損耗,而且靠繞組比較近,不能及時將熱量散出。其溫度約為95℃。

 圖4電機求解及后處理過程     圖5電機發熱仿真云圖

   電機運行時發熱均來自其損耗。其中定子和繞組既是發熱部件又是傳熱部件,別的部件是傳熱部件。隨著電機溫度的升高,它與周圍介質之間的溫度差逐漸增大,散失到周圍介質中去的熱量相應的也逐漸增多,本身溫升升高的速度則逐漸變慢,最后電機產生的全部熱量都傳給周圍介質,達到了熱穩定狀態。通常每小時溫度變化小于1℃時,即認為已達到熱穩定狀態。

   從溫升曲線(圖6)中可以看出樣機在運行一段時間后的溫升最大值達到了94℃。實驗中測出的數據為運行10鐘以后也達到96.1℃,所以計算結果與實驗結果基本相一致,因此文中應用Ansys有限元軟件熱分析模塊處理電機溫升的方法可為電機的設計提供參考。

 圖6電機溫升仿真曲線

4結語

   利用Ansys軟件,根據本文介紹的方法對電機進行熱場分析和計算,全面了解其內部具體溫升情況。從樣機溫度場的仿真分析結果看出,電機模型各部分的溫度分布趨勢與理論分析基本一致。由此可見,用文中所提出的方法對電機進行熱場分析是行之有效的。今后還可以繼續應用Ansys自帶的APDL語言編寫代碼,為同類型電機的溫度場分析提供便利。對于其他電機也能用類似的分析方法來處理,這對于深入認識電機內部的溫升情況有一定的指導意義。

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