异步电动机温度场仿真分析

1、异步电动机温度场仿真分析摘要随着电气化和自动化程度的不断提高，异步电动机将占有越来越重要的地位。而随着电力电子技术的不断发展，由异步电动机构成的电力拖动系统也将得到越来越广泛的应用。异步电动机与其它类型电机相比，之所以能得到广泛的应用是因为它具有结构简单、制造容易、运行可靠、效率较高、成本较低和坚固耐用等优点。电机是各个行业生产过程及日常生活中普遍使用的基础设备，它是进行电能量和机械能量转换的主要器件。它在现代工业、现代农业、现代国防、交通运输、科学技术、信息传输和日常生活中都得到最广泛的应用。本文以异步电动机为研究对象，对电机内温度场进行耦合分析。根据传热学理论，首先建立了电机二维温度场的模

2、型，其次建立了电机转子部分三维温度场的模型，给出了电机损耗及散热系数的计算方法。应用有限元软件ANSYS进行计算分析。最后分析了转差率变化对电机温度场分布的影响，以及有效的散热方法，得出了一些有益的结论。关键词：温度场；异步电动机；有限元法；ANSYSABSTRACTWiththeelectrificationandautomationofcontinuousimprovement,asynchronousmotorwilloccupyanincreasinglyimportantposition.Withthecontinuousdevelopmentofpowerelectronicste

3、chnology,theelectricdrivesystemconstitutedbytheinductionmotorwillalsobemorewidelyused.Comparedwithothertypesofasynchronousmotormotor,isabletobewidelyusedbecauseithasasimplestructure,easytomanufacture,reliableoperation,highefficiency,lowcostanddurabilityadvantages.Motoristhebasisoftheproductionproces

4、sandequipmentindustriescommonlyusedindailylife,itiscarriedoutmajorcomponentsofelectricenergyandmechanicalenergyconversion.Itisinthemodernindustry,modernagriculture,moderndefense,transportation,scienceandtechnology,informationtransmissionanddailylifehavebeenthemostwidelyused.Inthispaper,asynchronousm

5、otorforthestudyofthetemperaturefieldinthemotorcouplinganalysis.Basedonheattransfertheory,firstestablishedthetwo-dimensionaltemperaturefieldmodelofthemotor,followedbytheestablishmentofathree-dimensionalmodeloftherotorsectiontemperaturefield,thecalculationmethodofthemotorandtheheatlosscoefficient.Fini

6、teelementanalysissoftwareANSYScalculation.Finally,analysisoftheimpactofchangesintheslipofthemotortemperaturedistribution,aswellaseffectivecoolingmethod,drawsomeusefulconclusions.Keywords:temperaturefield;asynchronousmotor;finiteelementmethod;ANSYS第一章绪论选题的背景异步电动机又称感应电动机，是由气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩，从而

7、实现机电能量转换为机械能量的一种交流电动机。异步电动机是各类电动机中应用最广、需要量最大的一种。在中国，异步电动机的用电量约占总负荷的60%1。异步电动机还容易按不同环境条件的要求，派生出各种系列产品。它还具有接近恒速的负载特性，能满足大多数工农业生产机械拖动的要求。其局限性是，它的转速与其旋转磁场的同步转速有固定的转差率（见异步电机），因而调速性能较差，在要求有较宽广的平滑调速范围的使用场合（如传动轧机、卷扬机、大型机床等），不如直流电动机经济、方便。此外，异步电动机运行时，从电力系统吸取无功功率以励磁，这会导致电力系统的功率因数变坏。因此，在大功率、低转速场合（如拖动球磨机、压缩机等）不如

8、用同步电动机合理2。异步电动机的种类很多，从不同的角度有不同的分类法。按定子相数分有单相异步电动机、三相异步电动机；按转子绕组形式，一般可分为绕线式和鼠笼式两种类型。鼠笼式异步电动机中，又有单鼠笼、双鼠笼和深槽式之分；按电机尺寸或功率，分为大型、中型、小型和小功率电机；按电机的防护形式分为开启式、防护式、封闭式30异步电机主要用作电动机，其功率范围从几瓦到上万千瓦，是国民经济各行业和人们日常生活中应用最广泛的电动机，为多种机械设备和家用电器提供动力。例如机床、中小型轧钢设备、风机、水泵、轻工机械、冶金和矿山机械等，大都采用三相异步电动机拖动；电风扇、洗衣机、电冰箱、空调器等家用电器中则广泛使用

9、单相异步电动机。异步电机也可作为发电机，用于风力发电厂和小型水电站等。国内外研究现状目前国内外很多学者对电机内电磁场、温度场、耦合场以及影响电磁场和温度场的某些因素进行了大量的研究工作。国际上Alonso等学者分析了谐波对电机温升的影响4。AustinH.Bonnett.等学者发表文章对运行温度和性能作了深入的研究5。M.Shanel等学者对电机的冷却系统内的流体的特性加以分析6。E.Gurevich对发电机的转子温度场7,R,Krok对发电机在负载不对称情况下的转子温度场进行了计算网。A.DiGerlando对大型异步电动机的定子绕组的温度场进行了计算9。R.Krok对发电机运行时的故障诊断

10、进行了研究10。国内学者汤蕴般、孟大伟用有限元法对水轮发电机定子最热段三维温度场进行了计算11。魏永田对转子部分的温度场进行了研究12。李德基对大型发电机定子绕组槽部温度场和汽轮发电机直接氢冷转子三维温度场进行了计算13。胡敏强等学者采用圆柱坐标系下六面体有限元方法计算了异步电机定子铁芯的温度场14。颜威利，方日杰等学者分别用有限元法和热网络法对电磁铁三维稳态温度场和异步电动机定子温度场进行了计算1516。许承千等运用稳定导热问题的有限差分法分析电机的三维温度场计算17,李伟力等基于流体相似理论和三维有限元法计算大中型异步电动机的定子三维温度场及采用六面体、八节点有限元方法对大型同步发电机定、

11、转子和端部的温度场的计算也有一些研究工作181920o目前，国内外的学者对于大型异步电动机的温度场的研究作了很多工作，但对于高转差率异步电动机的温度场的研究工作还不多，这方面的文献也不常见。但是工业的迅速发展，对异步电动机的运行安全性提出了更高的要求。1.3选题的意义随着电机制造业的发展，电机的单机容量以及各项技术指标不断增加，电机的电磁负荷及热负荷也随之提高，进而引起电机各部分温度升高，这直接影响电机的使用寿命和运行的安全可靠性，所以对现代电机的发热与冷却问题进行研究显得日益重要。在异步电动机的设计阶段，只有初步计算和确定样机的温度分布和电机相关要求部件得平均温开，才能较好地对电机各项性能指

12、标、技术要求和材料消耗等方面进行合理的分配及调整，进而使设计方案更合理，避免在试制过程中因温升的原因而造成研发的失败和费用的提高。所以，准确的计算电机内温度的分布，对异步电动机的设计有十分重要的指导作用。异步电动机转差率的升高会引起铸铝转子的铝耗增加，再加上转子旋转的作用，使得冷却气体在定转子之间、或在转子和定子通风槽内的流动形态变得更加复杂，因此电机的发热和冷却温度的研究涉及到流体力学、传热学、电磁场理论和计算方法等多种学科及领域。解决电机发热与冷却问题，需要进行大量的工作和深入的研究。本文根据传热学、有限元理论，从损耗的角度对异步电动机的温度场进行耦合分析，分别建立了电机二维温度场、转子三

13、维温度场的数学模型和物理模型，应用有限元分析软件ANSYSS行了仿真计算，并分析了特殊位置的温度值，找出了电机内的最高发热点。最后还分析了转子不同转速下电机温度场分布的影响。不仅对异步电动机的设计和安全运行具有重大的意义，而且具有可观的工程意义。第二章传热学原理2.1传热学的基本定律和导热微分方程温度场是各时刻物体中各点温度分布的总称。温度场是空间坐标和时间的函数，在直角坐标系下可表示为21:;二，(2-1)p式中，T温度k；x,y,z空间的坐标；日寸I可so式(2-1)表示物体的温度在三个方向上均发生变化的三维非稳念温度场，如果温度不随时间变化，则为三维稳态温度场，这时一；'(2-2

14、)按傅立叶导热定律，物体内单位时间内通过单位面积所传递的热量与物体内的温度梯度成正比：T产Tq岸,(2-3),在直角坐标系下热流相量可式中，一一热流密度向量(简称热流相量)以表示为：TT(2-4)一物体的导热系数。直角坐标系下傅里叶导热定律为：淳TfcTFTf(2-5)心一人;尸4:kexcycz式中，入x,入y,入z分别为x,y,z方向上的导热系数。对于各向同性材料，Xx=Xy=Xz=X,故(2-4)式可以改写为(2-6)从式(2-6)可以看出，傅立叶定律描述了热流密度、温度梯度和导热系数之间的关系，它是导热现象的基本定律。考虑如图2-1所示直角坐标系中导热物体内部的任意一个微元体，dV=d

15、xDdyUdz,微元体的三个边长dx、dy、dz分别平行于x轴、y轴、z轴。此处，假设导热物体为各向同性的连续介质，其导热系数为入，比热c和密度p均为已知，并不随温度的变化而变化，且物体内含有内热源，其单位体积单位时间内所发出的热流量qvodQz+dz图2-1微元体分析dQz+dx根据傅立叶定律，在dp时间内，沿x轴方向流入微元体的热量为-二一(2-7)相沿的沿y轴和z轴流入微元体的热量分别为dQ2qdydzdr(2-8)(2-9)流入微元体的总热量为dQ.=dQ+dQdQ(2-10)同理，在dp时间内，从微元体总的流出热量为=dQv壶+42+4+dQx金=Q+己dydw原或力，丫诙xdyd=

16、($,+dx)dvdzdr+(q+%d)dxdzdr+(q.+dz)dxddr打1ST-/dvdzdi-A-dxA-dzdr-/.dxdzdr-A笈.dx*dy(2-11)微元体内热源的发热量为dQ-q,dxd'dzdr曲打St、(tcdydzdT-Adxdvdr-X-(2-12)dE-pcdxdytizddr(2-13)由于上式能量的存在，微元体内的内能将会增加，增加的内能为根据热力学第一定律，该微元体内的热平衡方程式为dQ-dQi-dQ：+dE(2-14)CT将式(2-7)-(2-13)代入式(2-14)可以得到(2-15)方程(2-15)就是各向同性介质在直角坐标系下导热微分方程

17、的一般形式，他描述了导热物体内总的能量守恒关系。方程(2-15)又可以写成=c2t+义(2-16)4二勺4一CCC式中，一一拉布拉斯算符;Xa=a一一热扩散率，.热扩散率是一个由三项物性组成的综合物性参数，也可以称为导温系数，它表示物体在加入或冷却工程中温度趋于均匀一致的能力。热扩散率和导热系数是两个不同的物理量，前者综合了材料的导热能力和单位容积的热容量的大小，而后者仅指材料导热能力的大小。CT当物性参数为常数并且无内热源时，方程（2-16）可以简化为(2-17)更=0对于稳态温度场，方程（2-16）的左边项CT,此时方程（2-16）可写为(2-18)对于无内热源的稳态温度场，方程（2-18

18、）(2-19)式（2-19）表示流入微元体的热量等于流出微元体的热量。根据傅立叶定律和能量守恒定律，可以得出各向同性物体内温度的通用微分方程为6Tdiv(AgradT)+=pcdr(2-20)对于各向异性介质，在直角坐标系下的导热微分方程为II；二一，（2-21）ST=0对于稳态温度场，温度T不随时间变化，即CJ写为Cz-Cz,GJ、Cz-cl.（4.）+（a、）=exfircycyczcz,故微分方程（2-21）可(2-22)2.2导热微分方程的边界条件各种导热问题都可以用相应坐标系下的导热微分方程来描述，包括一维的和多维、稳态和非稳态、常物性和变物性、有内热源和无内热源的导热问题。为了求解

19、这些导热微分方程，还必须给定导热问题所对应的边界条件。常见的导热问题的边界条件可以分为三类:1、第一类边界是已知任何时刻物体边界面的温度值，即(2-23)式中，S1表小边界面；To既可表示稳态导热过程给定的温度值，也可以表示To随时间变化的非稳态导热过程的温度值。2、第二类边界式已知任何时刻物体边界面上的热流密度值，其边界条件可写成(2-24)式中，q0是给定的通过边界面&的热流密度。对稳态导热过程，中为常量；对非稳态过程，qo是随时间变化的量。对于边界面是绝热的情况，式(2-24)可写成(2-25)fl=0式(2-25)表示在2s边界面上的温度变化率为零。3、第三类边界式边界面周围流

20、体的温度Tf和散热系数a为已知，根据牛顿散热公式，物体边界面S与刘体面的对流换热量可写成(2-26)q=a(T-Tf)式中，T物体边界面温度值，根据傅立叶定律，第三类边界条件可写成=a(T-Tf)(2-27)式中，a和Tf可以为常数，也可以是随时间和位置而变化的函数。第三章异步电动机的有限元原理有限元法概述有限单元法是对古典近似计算的归纳和总结，它吸取了有限差分法中离散处理的内核，又继承了变分计算中选择试探函数并对区域积分的合理方法。在有限单元法中，试探函数（以后称插值函数）的定义和积分计算范围，不是整个区域，而是从区域中按实际需要划分出来的单元。这就克服了古典变分计算中由于不做离散处理而不能

21、求解复杂问题的缺点。在有限单元法中，由于对单元做了积分计算，就充分估计了单元对节点参数的贡献，从而克服了有限差分法中不考虑单元所起作用的缺点220有限元法是从变分原理或加权余量法出发，结合单元剖分和分片插值，用于求解数理方程的一种离散化的数值方法。有限元法虽然起源于结构理论，但近年来由于此方法的有效性，迅速推广到造船、机械等工程部门并取得了很大成绩，以后又推广到非结构的各种类型场问题，如流体场、温度场、电磁场等领域。由于泛函的局限性，使有限元法在各学科中的推广应用遇到困难。例如，在流体力学问题、传热学问题和扩散等问题中，有些当前还没有对应的泛函。为此近年来特别注意到从微分方程出发的“变分”，并且这个计算是在离散处理的基础上进行的，这就是离散算子的概念。例如，稳定温度场的有限单元法计算格式，可以在离散基础上从能量变分求得，也可以在离散基础上的微分方程“变分”求得（即离散算子法，国外文献中仍称作伽略金法）。二维场的有限元法分析数学中函数的概念是众所周知的。泛函和函数的区别在于：函数的自变量是数，而泛函的自变量是函数。所以说泛函是函数的函数。微分方程的提法：(3-1)式中，r为旋转体的半径；x为旋转体的对称中心轴对于（3-1）式，相应的泛函形式为(3-2)（3-2）式泛函的变分与（3-1）式等价。有限单元法的单元分析1、单元变分计算的格式对单元进行变分计算时，只要将泛函计算公