基于Ansys和MotorCAD仿真的無刷直流電機溫度場分析

時間：2022-07-17 23:45:38

關(guān)鍵字：無刷直流電機溫度場 Ansys

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[導(dǎo)讀]摘要:溫度場校核的準(zhǔn)確性對無刷直流電機的設(shè)計至關(guān)重要?，F(xiàn)從工業(yè)實踐的角度,運用熱路法平臺MotorCAD以及有限元分析平臺Ansys對無刷直流電機進(jìn)行了溫度場分析,并與樣機工作的實際溫度進(jìn)行對比,驗證了該模型以及分析方法的有效性和準(zhǔn)確性,對后續(xù)無刷直流電機的研制具有一定的指導(dǎo)意義。

引言

無刷直流電機由于其調(diào)速范圍廣、轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異以及可靠性強等特點和優(yōu)勢,在生產(chǎn)實踐中得到了廣泛應(yīng)用。如何提高無刷直流電機的功率密度一直是業(yè)界專家和學(xué)者關(guān)注的焦點,高功率密度電機研制的瓶頸之一在于溫升對電機性能的影響。溫升對電機絕緣材料的物理性能、金屬材料的機械性能以及永磁體的磁性能均有較大影響,直接關(guān)系到電機的壽命和可靠性[1],因此在設(shè)計階段對電機進(jìn)行溫度場分析至關(guān)重要。本文并未過多地關(guān)注溫度場研究的相關(guān)理論,而是從實踐的角度,通過樣機實測的溫升,與方案設(shè)計階段運用MotorCAD以及Ansys軟件仿真的結(jié)果進(jìn)行對比分析,驗證所建模型和所用方法的準(zhǔn)確性和有效性。

1損耗分析

以一臺1.9kw的無刷直流電機為例,額定轉(zhuǎn)矩1.8N·m,額定轉(zhuǎn)速10000r/min,分析該樣機額定點的穩(wěn)態(tài)溫度場。該樣機為典型的無刷直流電機結(jié)構(gòu),采用自然風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻。

溫度場分析的前提在于準(zhǔn)確地計算出電機內(nèi)部的損耗,主要包括定子鐵芯損耗、定子銅耗、永磁體渦流損耗和風(fēng)摩損耗[2]。運用AnsoftMaxwell軟件對定子鐵芯損耗、永磁體渦流損耗進(jìn)行仿真計算,得到定子鐵芯損耗為26.9w、轉(zhuǎn)子渦流損耗為12.8w。風(fēng)摩損耗為電機旋轉(zhuǎn)時與空氣之間的摩擦以及軸承高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的摩擦損耗,取輸出功率的0.5%,即9.5w:銅耗為電流流過繞組時繞組發(fā)熱產(chǎn)生的損耗,通過相電流以及電阻值計算得到銅耗為102.8w。

2溫度場有限元分析

運用Ansys軟件對電機進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場分析,可以有效地拋開復(fù)雜繁瑣的微積分變換求解公式,只需準(zhǔn)確計算電機的發(fā)熱損耗,即熱源強度、等效導(dǎo)熱系數(shù)、對流系數(shù)等熱參數(shù),就可在Ansys熱模塊中進(jìn)行求解。

基于電機的實際工況以及仿真的可操作性,現(xiàn)對樣機的傳熱方式作如下假設(shè):

(1)不考慮熱輻射:(2)整個繞組等效為一體,具有相同的導(dǎo)熱系數(shù):(3)定子槽內(nèi)空氣層、導(dǎo)線漆膜、浸漬漆、槽楔等絕緣材料等效為一體,具有相同的導(dǎo)熱系數(shù):(4)電機軸向的溫度梯度為0:(5)定轉(zhuǎn)子間的氣隙用等效導(dǎo)熱系數(shù)的材料代替,這種處理方式與定轉(zhuǎn)子間流動空氣的對流換熱效果是相同的[3-4]。

基于以上假設(shè),根據(jù)損耗計算以及電機材料的相關(guān)物理參數(shù),將計算得到的導(dǎo)熱系數(shù)、生熱率和對流系數(shù)等熱參數(shù)

耦合至電機模型,仿真得到電機各部分的溫度分布如圖1、圖2所示。