史忠震,許貞俊,張 宇

(1.貴州交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院,貴陽550008;2.貴州省機(jī)械工業(yè)學(xué)校,貴陽550001;3.貴州凱敏博機(jī)電科技有限公司,貴陽520100)

0 引 言

電機(jī)作為動(dòng)力裝置,是各種機(jī)械設(shè)備中不可缺少的一部分。隨著設(shè)備要求的不斷提高,電機(jī)性能也隨之提升,而熱是影響性能提升的主要參數(shù)之一,若電機(jī)產(chǎn)生的熱量超過了絕緣材料允許的最高溫度,輕則加速絕緣層的老化過程,縮短電機(jī)壽命,重則損壞電機(jī)。如果永磁體的工作溫度超過了其允許的最高溫度,則可能導(dǎo)致永磁體退磁,這將嚴(yán)重影響到電機(jī)運(yùn)行是否可靠,最終大大降低其使用壽命,所以電動(dòng)機(jī)整體溫升的掌握對提高電機(jī)性能,提高電機(jī)壽命非常關(guān)鍵。

目前針對電機(jī)的溫升計(jì)算,國內(nèi)外一般采用的計(jì)算方法有簡化公式法、等效熱路法、等效熱網(wǎng)格法和溫度場法[3]。其中溫度場法以內(nèi)熱交換定理編寫的一個(gè)關(guān)于熱傳導(dǎo)的微分方程為根據(jù),提供給電機(jī)各部件溫度場計(jì)算所用,并通過分析等效出來的熱路圖來建立起熱聯(lián)系,具有可通過計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)溫度場計(jì)算、能得到較為精確的計(jì)算值、能夠方便靈活地對物體剖分以及在處理邊界問題上有較好的靈活性等優(yōu)點(diǎn),已成為計(jì)算電機(jī)電磁場以及溫度場問題的首要方法,本文采用該方法進(jìn)行永磁無刷電動(dòng)機(jī)溫度場分析研究。

本文通過有限元軟件對永磁無刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行溫度場分布研究,根據(jù)電機(jī)實(shí)際結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立了溫度場等效模型,以電機(jī)熱交換邊界條件建立了溫度場邊界,對此進(jìn)行有限元分析得出永磁無刷電動(dòng)機(jī)各部件溫度場分布,通過實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果與仿真結(jié)果對比得出模型等效方法的正確性和溫度場分析方法的正確性,對永磁無刷電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù),對電機(jī)熱場研究精確度提高有十分重要意義。

1 永磁電機(jī)等效模型的建立

1.1 永磁電機(jī)繞組等效模型

在電機(jī)模型簡化過程中,繞組模型的合理性建立是最困難的。若根據(jù)電機(jī)繞組實(shí)際模型去建立,是根本不可能達(dá)到的,即便可以完整的建立,在分析過程中也會由于網(wǎng)格的劃分問題,不能得到電機(jī)正確的溫度場分布,因此繞組模型的簡化成為電機(jī)模型簡化合理性的關(guān)鍵。前期已對繞組模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究分析,并得出較為合理的等效方法,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比誤差3.06%,誤差遠(yuǎn)小于工程要求,精度較高。

永磁無刷電動(dòng)機(jī)主要參數(shù):12個(gè)槽,每槽導(dǎo)體數(shù)44個(gè),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(shí)際形狀如圖1所示。

圖1 定子實(shí)際結(jié)構(gòu)圖

建立模型前,對此進(jìn)行相應(yīng)假設(shè):

(1)每個(gè)定子槽嵌入的導(dǎo)線均勻排列,且均溫;

(2)定子疊片內(nèi)的絕緣材料和繞組銅線絕緣材料為完全均質(zhì);

(3)定子疊片內(nèi)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(gè)整體。

其中建立的繞組模型應(yīng)與實(shí)際模型相接近,包括繞組模型面積、重量、槽滿率。

通過以上假設(shè)以及必須遵循的原則建立了以下等效模型,如圖2所示。

圖2 永磁無刷電動(dòng)機(jī)定子等效模型

1.2 永磁電機(jī)整體等效模型

根據(jù)上述電機(jī)定子等效方法建立永磁電機(jī)等效模型。具體等效模型結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 永磁電機(jī)等效模型

2 永磁電機(jī)溫度場分析

2.1 熱參數(shù)的計(jì)算

在環(huán)境溫度為15℃條件下針對永磁無刷電動(dòng)機(jī)進(jìn)行有限元分析,具體熱參數(shù)為分析可知,熱參數(shù)包括熱源、散熱系數(shù)以及導(dǎo)熱系數(shù)[4]。

(1)熱源

根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得繞組在起始通電流的瞬時(shí)銅耗為23W,當(dāng)通電一定時(shí)間繞組溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),這時(shí)銅耗為29 W。即起始和穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)生熱率分別為1.13×106W/m3和1.41×106W/m3。

(2)導(dǎo)熱系數(shù)

該永磁無刷電動(dòng)機(jī)有關(guān)熱傳導(dǎo)系數(shù)如表1所示[4]。

表1 相關(guān)材料熱傳導(dǎo)系數(shù)

(3)散熱系數(shù)

由于該永磁無刷電動(dòng)機(jī)溫度場研究是在室內(nèi),相對電機(jī)來說可視為無限空間,因此散熱系數(shù)根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[2]:

式中:Gr,θ,l,Pr分別為格拉曉夫系數(shù)、電機(jī)外表面與環(huán)境溫差、電機(jī)與空氣接觸面長度和普朗特系數(shù);β,μ,cp,k分別為空氣的相關(guān)參數(shù):體積膨脹系數(shù)、動(dòng)力粘度、比熱容、傳熱系數(shù)。

其自然對流換熱系數(shù)根據(jù)公式計(jì)算得出h=6.5W/(m2·℃)。

將上述計(jì)算得到的各部件熱生成率和邊界條件加載求解,通過Ansys有限元軟件的后處理得到永磁無刷電動(dòng)機(jī)各部件溫度分布云圖如圖4所示。

圖4 溫度場分布云圖

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證該分析方法的準(zhǔn)確性,對該永磁電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析研究。在定子繞線時(shí)將3個(gè)同型號的溫度傳感器繞于內(nèi)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,并在電機(jī)裝配時(shí)將一傳感器繞在后端蓋螺栓上擰緊螺栓,以及在機(jī)殼上粘一個(gè)傳感器以測機(jī)殼溫度。通入穩(wěn)定直流電流6.26 A,記錄起始電壓值。當(dāng)溫度平穩(wěn)時(shí)即達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài),這時(shí)記錄電壓值,并讀取溫度值,其中該永磁電機(jī)的溫度場實(shí)驗(yàn)研究平臺如圖5所示。

圖5 永磁電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn)研究平臺

將所測溫度數(shù)據(jù)在溫度巡檢儀中提取,整個(gè)測試過程中,溫度巡檢儀每秒采樣一次溫度數(shù)據(jù),將溫度巡檢儀測試的數(shù)據(jù)導(dǎo)入EXCEL表格中,生成溫度曲線如圖6所示。

圖6 永磁電機(jī)各部件溫度實(shí)驗(yàn)曲線圖

3.2 結(jié)果對比

將永磁電機(jī)各部件溫升仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比如表2所示,各部件溫度對比曲線分別如圖7、圖8、圖9 所示。

根據(jù)表2和圖7、圖8、圖9可知,該永磁無刷電動(dòng)機(jī)各部件溫度的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,誤差在10%范圍內(nèi),證明該分析方法滿足工程要求,且具有較好的精度,可以用于指導(dǎo)該類型的永磁電機(jī)溫度場有限元分析,對永磁無刷電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

表2 對比表

圖7 機(jī)殼溫度對比曲線

圖8 后端蓋溫度對比曲線

圖9 繞組溫度對比曲線

4 結(jié) 語

1)通過仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,該永磁無刷電動(dòng)機(jī)各部件溫度均低于各部件材料所允許的最高溫度,特別是繞組溫度在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下溫度為85.4℃,遠(yuǎn)小于繞組絕緣的最高溫度,電機(jī)溫升設(shè)計(jì)合理。

2)根據(jù)數(shù)據(jù)對比證明所采用的仿真方法的正確性,特別是進(jìn)一步證實(shí)了繞組模型等效的合理性。

3)永磁無刷電動(dòng)機(jī)各部件溫度的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合,誤差在10%范圍內(nèi),證明該分析方法滿足工程要求,且具有較好的精度,可以用于指導(dǎo)該類型的永磁電機(jī)溫度場有限元分析,對永磁無刷電動(dòng)機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考數(shù)據(jù)。

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