基于Ansys和MotorCAD仿真的無刷直流電機(jī)溫度場(chǎng)分析

引言

無刷直流電機(jī)由于其調(diào)速范圍廣、轉(zhuǎn)矩特性優(yōu)異以及可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),在生產(chǎn)實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用。如何提高無刷直流電機(jī)的功率密度一直是業(yè)界專家和學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn),高功率密度電機(jī)研制的瓶頸之一在于溫升對(duì)電機(jī)性能的影響。溫升對(duì)電機(jī)絕緣材料的物理性能、金屬材料的機(jī)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(jī)的壽命和可靠性[1],因此在設(shè)計(jì)階段對(duì)電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)分析至關(guān)重要。本文并未過多地關(guān)注溫度場(chǎng)研究的相關(guān)理論,而是從實(shí)踐的角度,通過樣機(jī)實(shí)測(cè)的溫升,與方案設(shè)計(jì)階段運(yùn)用MotorCAD以及Ansys軟件仿真的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)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(tái)1.9kw的無刷直流電機(jī)為例,額定轉(zhuǎn)矩1.8N·m,額定轉(zhuǎn)速10000r/min,分析該樣機(jī)額定點(diǎn)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)。該樣機(jī)為典型的無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu),采用自然風(fēng)冷方式進(jìn)行冷卻。

溫度場(chǎng)分析的前提在于準(zhǔn)確地計(jì)算出電機(jī)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(yùn)用AnsoftMaxwell軟件對(duì)定子鐵芯損耗、永磁體渦流損耗進(jìn)行仿真計(jì)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(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)與空氣之間的摩擦以及軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)繞組發(fā)熱產(chǎn)生的損耗,通過相電流以及電阻值計(jì)算得到銅耗為102.8w。

2溫度場(chǎng)有限元分析

運(yùn)用Ansys軟件對(duì)電機(jī)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)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(jì)算電機(jī)的發(fā)熱損耗,即熱源強(qiáng)度、等效導(dǎo)熱系數(shù)、對(duì)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(jī)的實(shí)際工況以及仿真的可操作性,現(xiàn)對(duì)樣機(jī)的傳熱方式作如下假設(shè):

(1)不考慮熱輻射:(2)整個(gè)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(jī)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(dòng)空氣的對(duì)流換熱效果是相同的[3-4]。

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

耦合至電機(jī)模型,仿真得到電機(jī)各部分的溫度分布如圖1、圖2所示。

圖1定子繞組溫度分布云圖

圖2機(jī)殼溫度分布云圖

3溫度場(chǎng)熱路法分析

在MotorCAD中按樣機(jī)的設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行建模,將損耗分析結(jié)果輸入至熱路法仿真模型,溫度響應(yīng)如圖3所示。

4仿真結(jié)果對(duì)比分析

該樣機(jī)額定點(diǎn)工作180s后實(shí)測(cè)的電阻值為0.54Ω,30℃下線電阻為0.43Ω,通過式(1)可以計(jì)算出電機(jī)穩(wěn)態(tài)時(shí)繞組的溫度為97.3℃,實(shí)測(cè)的機(jī)殼溫度為82.5℃,如圖4所示。

式中,R2為溫度為T2時(shí)的電阻值:R1為溫度為T1時(shí)的電阻值:T1、T2為繞組溫度。

運(yùn)用Ansys與MotorCAD仿真的溫度與樣機(jī)溫度進(jìn)行對(duì)比,如表1所示。

通過對(duì)比分析可知:兩種方法的溫度仿真結(jié)果與試驗(yàn)值均較為接近,驗(yàn)證了所建模型以及分析方法的準(zhǔn)確性,但基于有限元分析的仿真精度要高于熱路法仿真。

此外,運(yùn)用0nIyI進(jìn)行溫度場(chǎng)分析的時(shí)間要明顯多于MotorC0D,在電機(jī)設(shè)計(jì)方案階段以及在溫升要求較低的電機(jī)研制過程中,MotorC0D不失為一種更好的選擇:但對(duì)于溫升控制較為嚴(yán)格的電機(jī),基于0nIyI有限元分析的溫度場(chǎng)仿真能更好地了解電機(jī)的溫度分布情況。

5結(jié)語

本文以一臺(tái)1.9kw的無刷直流電機(jī)為例,將其額定點(diǎn)工作的溫度場(chǎng)仿真結(jié)果與實(shí)測(cè)溫升進(jìn)行對(duì)比分析,驗(yàn)證了所建模型以及分析方法的準(zhǔn)確性,對(duì)于后續(xù)無刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)及溫度場(chǎng)仿真具有一定的指導(dǎo)意義。