異步電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)仿真分析

1、異步電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)仿真分析摘要隨著電氣化和自動(dòng)化程度的不斷提高，異步電動(dòng)機(jī)將占有越來(lái)越重要的地位。而隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，由異步電動(dòng)機(jī)構(gòu)成的電力拖動(dòng)系統(tǒng)也將得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。異步電動(dòng)機(jī)與其它類型電機(jī)相比，之所以能得到廣泛的應(yīng)用是因?yàn)樗哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、運(yùn)行可靠、效率較高、成本較低和堅(jiān)固耐用等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)是各個(gè)行業(yè)生產(chǎn)過(guò)程及日常生活中普遍使用的基礎(chǔ)設(shè)備，它是進(jìn)行電能量和機(jī)械能量轉(zhuǎn)換的主要器件。它在現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、現(xiàn)代國(guó)防、交通運(yùn)輸、科學(xué)技術(shù)、信息傳輸和日常生活中都得到最廣泛的應(yīng)用。本文以異步電動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，對(duì)電機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)進(jìn)行耦合分析。根據(jù)傳熱學(xué)理論，首先建立了電機(jī)二維溫度場(chǎng)的模

2、型，其次建立了電機(jī)轉(zhuǎn)子部分三維溫度場(chǎng)的模型，給出了電機(jī)損耗及散熱系數(shù)的計(jì)算方法。應(yīng)用有限元軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算分析。最后分析了轉(zhuǎn)差率變化對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)分布的影響，以及有效的散熱方法，得出了一些有益的結(jié)論。關(guān)鍵詞：溫度場(chǎng)；異步電動(dòng)機(jī)；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第一章緒論選題的背景異步電動(dòng)機(jī)又稱感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，是由氣隙旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子繞組感應(yīng)電流相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而

7、實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能量的一種交流電動(dòng)機(jī)。異步電動(dòng)機(jī)是各類電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用最廣、需要量最大的一種。在中國(guó)，異步電動(dòng)機(jī)的用電量約占總負(fù)荷的60%1。異步電動(dòng)機(jī)還容易按不同環(huán)境條件的要求，派生出各種系列產(chǎn)品。它還具有接近恒速的負(fù)載特性，能滿足大多數(shù)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)機(jī)械拖動(dòng)的要求。其局限性是，它的轉(zhuǎn)速與其旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的同步轉(zhuǎn)速有固定的轉(zhuǎn)差率（見(jiàn)異步電機(jī)），因而調(diào)速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調(diào)速范圍的使用場(chǎng)合（如傳動(dòng)軋機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)、大型機(jī)床等），不如直流電動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)、方便。此外，異步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，從電力系統(tǒng)吸取無(wú)功功率以勵(lì)磁，這會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變壞。因此，在大功率、低轉(zhuǎn)速場(chǎng)合（如拖動(dòng)球磨機(jī)、壓縮機(jī)等）不如

8、用同步電動(dòng)機(jī)合理2。異步電動(dòng)機(jī)的種類很多，從不同的角度有不同的分類法。按定子相數(shù)分有單相異步電動(dòng)機(jī)、三相異步電動(dòng)機(jī)；按轉(zhuǎn)子繞組形式，一般可分為繞線式和鼠籠式兩種類型。鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)中，又有單鼠籠、雙鼠籠和深槽式之分；按電機(jī)尺寸或功率，分為大型、中型、小型和小功率電機(jī)；按電機(jī)的防護(hù)形式分為開(kāi)啟式、防護(hù)式、封閉式30異步電機(jī)主要用作電動(dòng)機(jī)，其功率范圍從幾瓦到上萬(wàn)千瓦，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪袘?yīng)用最廣泛的電動(dòng)機(jī)，為多種機(jī)械設(shè)備和家用電器提供動(dòng)力。例如機(jī)床、中小型軋鋼設(shè)備、風(fēng)機(jī)、水泵、輕工機(jī)械、冶金和礦山機(jī)械等，大都采用三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)；電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、電冰箱、空調(diào)器等家用電器中則廣泛使用

9、單相異步電動(dòng)機(jī)。異步電機(jī)也可作為發(fā)電機(jī)，用于風(fēng)力發(fā)電廠和小型水電站等。國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)電機(jī)內(nèi)電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)、耦合場(chǎng)以及影響電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的某些因素進(jìn)行了大量的研究工作。國(guó)際上Alonso等學(xué)者分析了諧波對(duì)電機(jī)溫升的影響4。AustinH.Bonnett.等學(xué)者發(fā)表文章對(duì)運(yùn)行溫度和性能作了深入的研究5。M.Shanel等學(xué)者對(duì)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)內(nèi)的流體的特性加以分析6。E.Gurevich對(duì)發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)7,R,Krok對(duì)發(fā)電機(jī)在負(fù)載不對(duì)稱情況下的轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算網(wǎng)。A.DiGerlando對(duì)大型異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組的溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算9。R.Krok對(duì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的故障診斷

10、進(jìn)行了研究10。國(guó)內(nèi)學(xué)者湯蘊(yùn)般、孟大偉用有限元法對(duì)水輪發(fā)電機(jī)定子最熱段三維溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算11。魏永田對(duì)轉(zhuǎn)子部分的溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究12。李德基對(duì)大型發(fā)電機(jī)定子繞組槽部溫度場(chǎng)和汽輪發(fā)電機(jī)直接氫冷轉(zhuǎn)子三維溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算13。胡敏強(qiáng)等學(xué)者采用圓柱坐標(biāo)系下六面體有限元方法計(jì)算了異步電機(jī)定子鐵芯的溫度場(chǎng)14。顏威利，方日杰等學(xué)者分別用有限元法和熱網(wǎng)絡(luò)法對(duì)電磁鐵三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)和異步電動(dòng)機(jī)定子溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算1516。許承千等運(yùn)用穩(wěn)定導(dǎo)熱問(wèn)題的有限差分法分析電機(jī)的三維溫度場(chǎng)計(jì)算17,李偉力等基于流體相似理論和三維有限元法計(jì)算大中型異步電動(dòng)機(jī)的定子三維溫度場(chǎng)及采用六面體、八節(jié)點(diǎn)有限元方法對(duì)大型同步發(fā)電機(jī)定、

11、轉(zhuǎn)子和端部的溫度場(chǎng)的計(jì)算也有一些研究工作181920o目前，國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)于大型異步電動(dòng)機(jī)的溫度場(chǎng)的研究作了很多工作，但對(duì)于高轉(zhuǎn)差率異步電動(dòng)機(jī)的溫度場(chǎng)的研究工作還不多，這方面的文獻(xiàn)也不常見(jiàn)。但是工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行安全性提出了更高的要求。1.3選題的意義隨著電機(jī)制造業(yè)的發(fā)展，電機(jī)的單機(jī)容量以及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)不斷增加，電機(jī)的電磁負(fù)荷及熱負(fù)荷也隨之提高，進(jìn)而引起電機(jī)各部分溫度升高，這直接影響電機(jī)的使用壽命和運(yùn)行的安全可靠性，所以對(duì)現(xiàn)代電機(jī)的發(fā)熱與冷卻問(wèn)題進(jìn)行研究顯得日益重要。在異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)階段，只有初步計(jì)算和確定樣機(jī)的溫度分布和電機(jī)相關(guān)要求部件得平均溫開(kāi)，才能較好地對(duì)電機(jī)各項(xiàng)性能指

12、標(biāo)、技術(shù)要求和材料消耗等方面進(jìn)行合理的分配及調(diào)整，進(jìn)而使設(shè)計(jì)方案更合理，避免在試制過(guò)程中因溫升的原因而造成研發(fā)的失敗和費(fèi)用的提高。所以，準(zhǔn)確的計(jì)算電機(jī)內(nèi)溫度的分布，對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)有十分重要的指導(dǎo)作用。異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率的升高會(huì)引起鑄鋁轉(zhuǎn)子的鋁耗增加，再加上轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的作用，使得冷卻氣體在定轉(zhuǎn)子之間、或在轉(zhuǎn)子和定子通風(fēng)槽內(nèi)的流動(dòng)形態(tài)變得更加復(fù)雜，因此電機(jī)的發(fā)熱和冷卻溫度的研究涉及到流體力學(xué)、傳熱學(xué)、電磁場(chǎng)理論和計(jì)算方法等多種學(xué)科及領(lǐng)域。解決電機(jī)發(fā)熱與冷卻問(wèn)題，需要進(jìn)行大量的工作和深入的研究。本文根據(jù)傳熱學(xué)、有限元理論，從損耗的角度對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的溫度場(chǎng)進(jìn)行耦合分析，分別建立了電機(jī)二維溫度場(chǎng)、轉(zhuǎn)子三

13、維溫度場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型和物理模型，應(yīng)用有限元分析軟件ANSYSS行了仿真計(jì)算，并分析了特殊位置的溫度值，找出了電機(jī)內(nèi)的最高發(fā)熱點(diǎn)。最后還分析了轉(zhuǎn)子不同轉(zhuǎn)速下電機(jī)溫度場(chǎng)分布的影響。不僅對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行具有重大的意義，而且具有可觀的工程意義。第二章傳熱學(xué)原理2.1傳熱學(xué)的基本定律和導(dǎo)熱微分方程溫度場(chǎng)是各時(shí)刻物體中各點(diǎn)溫度分布的總稱。溫度場(chǎng)是空間坐標(biāo)和時(shí)間的函數(shù)，在直角坐標(biāo)系下可表示為21:;二，(2-1)p式中，T溫度k；x,y,z空間的坐標(biāo)；日寸I可so式(2-1)表示物體的溫度在三個(gè)方向上均發(fā)生變化的三維非穩(wěn)念溫度場(chǎng)，如果溫度不隨時(shí)間變化，則為三維穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，這時(shí)一；'(2-2

14、)按傅立葉導(dǎo)熱定律，物體內(nèi)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積所傳遞的熱量與物體內(nèi)的溫度梯度成正比：T產(chǎn)Tq岸,(2-3),在直角坐標(biāo)系下熱流相量可式中，一一熱流密度向量(簡(jiǎn)稱熱流相量)以表示為：TT(2-4)一物體的導(dǎo)熱系數(shù)。直角坐標(biāo)系下傅里葉導(dǎo)熱定律為：淳TfcTFTf(2-5)心一人;尸4:kexcycz式中，入x,入y,入z分別為x,y,z方向上的導(dǎo)熱系數(shù)。對(duì)于各向同性材料，Xx=Xy=Xz=X,故(2-4)式可以改寫(xiě)為(2-6)從式(2-6)可以看出，傅立葉定律描述了熱流密度、溫度梯度和導(dǎo)熱系數(shù)之間的關(guān)系，它是導(dǎo)熱現(xiàn)象的基本定律?？紤]如圖2-1所示直角坐標(biāo)系中導(dǎo)熱物體內(nèi)部的任意一個(gè)微元體，dV=d

15、xDdyUdz,微元體的三個(gè)邊長(zhǎng)dx、dy、dz分別平行于x軸、y軸、z軸。此處，假設(shè)導(dǎo)熱物體為各向同性的連續(xù)介質(zhì)，其導(dǎo)熱系數(shù)為入，比熱c和密度p均為已知，并不隨溫度的變化而變化，且物體內(nèi)含有內(nèi)熱源，其單位體積單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)出的熱流量qvodQz+dz圖2-1微元體分析dQz+dx根據(jù)傅立葉定律，在dp時(shí)間內(nèi)，沿x軸方向流入微元體的熱量為-二一(2-7)相沿的沿y軸和z軸流入微元體的熱量分別為dQ2qdydzdr(2-8)(2-9)流入微元體的總熱量為dQ.=dQ+dQdQ(2-10)同理，在dp時(shí)間內(nèi)，從微元體總的流出熱量為=dQv壺+42+4+dQx金=Q+己dydw原或力，丫詼xdyd=

16、($,+dx)dvdzdr+(q+%d)dxdzdr+(q.+dz)dxddr打1ST-/dvdzdi-A-dxA-dzdr-/.dxdzdr-A笈.dx*dy(2-11)微元體內(nèi)熱源的發(fā)熱量為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，微元體內(nèi)的內(nèi)能將會(huì)增加，增加的內(nèi)能為根據(jù)熱力學(xué)第一定律，該微元體內(nèi)的熱平衡方程式為dQ-dQi-dQ：+dE(2-14)CT將式(2-7)-(2-13)代入式(2-14)可以得到(2-15)方程(2-15)就是各向同性介質(zhì)在直角坐標(biāo)系下導(dǎo)熱微分方程

17、的一般形式，他描述了導(dǎo)熱物體內(nèi)總的能量守恒關(guān)系。方程(2-15)又可以寫(xiě)成=c2t+義(2-16)4二勺4一CCC式中，一一拉布拉斯算符;Xa=a一一熱擴(kuò)散率，.熱擴(kuò)散率是一個(gè)由三項(xiàng)物性組成的綜合物性參數(shù)，也可以稱為導(dǎo)溫系數(shù)，它表示物體在加入或冷卻工程中溫度趨于均勻一致的能力。熱擴(kuò)散率和導(dǎo)熱系數(shù)是兩個(gè)不同的物理量，前者綜合了材料的導(dǎo)熱能力和單位容積的熱容量的大小，而后者僅指材料導(dǎo)熱能力的大小。CT當(dāng)物性參數(shù)為常數(shù)并且無(wú)內(nèi)熱源時(shí)，方程（2-16）可以簡(jiǎn)化為(2-17)更=0對(duì)于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，方程（2-16）的左邊項(xiàng)CT,此時(shí)方程（2-16）可寫(xiě)為(2-18)對(duì)于無(wú)內(nèi)熱源的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，方程（2-18

18、）(2-19)式（2-19）表示流入微元體的熱量等于流出微元體的熱量。根據(jù)傅立葉定律和能量守恒定律，可以得出各向同性物體內(nèi)溫度的通用微分方程為6Tdiv(AgradT)+=pcdr(2-20)對(duì)于各向異性介質(zhì)，在直角坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程為II；二一，（2-21）ST=0對(duì)于穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)，溫度T不隨時(shí)間變化，即CJ寫(xiě)為Cz-Cz,GJ、Cz-cl.（4.）+（a、）=exfircycyczcz,故微分方程（2-21）可(2-22)2.2導(dǎo)熱微分方程的邊界條件各種導(dǎo)熱問(wèn)題都可以用相應(yīng)坐標(biāo)系下的導(dǎo)熱微分方程來(lái)描述，包括一維的和多維、穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)、常物性和變物性、有內(nèi)熱源和無(wú)內(nèi)熱源的導(dǎo)熱問(wèn)題。為了求解

19、這些導(dǎo)熱微分方程，還必須給定導(dǎo)熱問(wèn)題所對(duì)應(yīng)的邊界條件。常見(jiàn)的導(dǎo)熱問(wèn)題的邊界條件可以分為三類:1、第一類邊界是已知任何時(shí)刻物體邊界面的溫度值，即(2-23)式中，S1表小邊界面；To既可表示穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程給定的溫度值，也可以表示To隨時(shí)間變化的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程的溫度值。2、第二類邊界式已知任何時(shí)刻物體邊界面上的熱流密度值，其邊界條件可寫(xiě)成(2-24)式中，q0是給定的通過(guò)邊界面&的熱流密度。對(duì)穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱過(guò)程，中為常量；對(duì)非穩(wěn)態(tài)過(guò)程，qo是隨時(shí)間變化的量。對(duì)于邊界面是絕熱的情況，式(2-24)可寫(xiě)成(2-25)fl=0式(2-25)表示在2s邊界面上的溫度變化率為零。3、第三類邊界式邊界面周?chē)?/p>

20、體的溫度Tf和散熱系數(shù)a為已知，根據(jù)牛頓散熱公式，物體邊界面S與劉體面的對(duì)流換熱量可寫(xiě)成(2-26)q=a(T-Tf)式中，T物體邊界面溫度值，根據(jù)傅立葉定律，第三類邊界條件可寫(xiě)成=a(T-Tf)(2-27)式中，a和Tf可以為常數(shù)，也可以是隨時(shí)間和位置而變化的函數(shù)。第三章異步電動(dòng)機(jī)的有限元原理有限元法概述有限單元法是對(duì)古典近似計(jì)算的歸納和總結(jié)，它吸取了有限差分法中離散處理的內(nèi)核，又繼承了變分計(jì)算中選擇試探函數(shù)并對(duì)區(qū)域積分的合理方法。在有限單元法中，試探函數(shù)（以后稱插值函數(shù)）的定義和積分計(jì)算范圍，不是整個(gè)區(qū)域，而是從區(qū)域中按實(shí)際需要?jiǎng)澐殖鰜?lái)的單元。這就克服了古典變分計(jì)算中由于不做離散處理而不能

21、求解復(fù)雜問(wèn)題的缺點(diǎn)。在有限單元法中，由于對(duì)單元做了積分計(jì)算，就充分估計(jì)了單元對(duì)節(jié)點(diǎn)參數(shù)的貢獻(xiàn)，從而克服了有限差分法中不考慮單元所起作用的缺點(diǎn)220有限元法是從變分原理或加權(quán)余量法出發(fā)，結(jié)合單元剖分和分片插值，用于求解數(shù)理方程的一種離散化的數(shù)值方法。有限元法雖然起源于結(jié)構(gòu)理論，但近年來(lái)由于此方法的有效性，迅速推廣到造船、機(jī)械等工程部門(mén)并取得了很大成績(jī)，以后又推廣到非結(jié)構(gòu)的各種類型場(chǎng)問(wèn)題，如流體場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)等領(lǐng)域。由于泛函的局限性，使有限元法在各學(xué)科中的推廣應(yīng)用遇到困難。例如，在流體力學(xué)問(wèn)題、傳熱學(xué)問(wèn)題和擴(kuò)散等問(wèn)題中，有些當(dāng)前還沒(méi)有對(duì)應(yīng)的泛函。為此近年來(lái)特別注意到從微分方程出發(fā)的“變分”，并且這個(gè)計(jì)算是在離散處理的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，這就是離散算子的概念。例如，穩(wěn)定溫度場(chǎng)的有限單元法計(jì)算格式，可以在離散基礎(chǔ)上從能量變分求得，也可以在離散基礎(chǔ)上的微分方程“變分”求得（即離散算子法，國(guó)外文獻(xiàn)中仍稱作伽略金法）。二維場(chǎng)的有限元法分析數(shù)學(xué)中函數(shù)的概念是眾所周知的。泛函和函數(shù)的區(qū)別在于：函數(shù)的自變量是數(shù)，而泛函的自變量是函數(shù)。所以說(shuō)泛函是函數(shù)的函數(shù)。微分方程的提法：(3-1)式中，r為旋轉(zhuǎn)體的半徑；x為旋轉(zhuǎn)體的對(duì)稱中心軸對(duì)于（3-1）式，相應(yīng)的泛函形式為(3-2)（3-2）式泛函的變分與（3-1）式等價(jià)。有限單元法的單元分析1、單元變分計(jì)算的格式對(duì)單元進(jìn)行變分計(jì)算時(shí)，只要將泛函計(jì)算公