異步電動機溫度場仿真分析

1、異步電動機溫度場仿真分析摘要隨著電氣化和自動化程度的不斷提高，異步電動機將占有越來越重要的地位。而隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，由異步電動機構成的電力拖動系統(tǒng)也將得到越來越廣泛的應用。異步電動機與其它類型電機相比，之所以能得到廣泛的應用是因為它具有結構簡單、制造容易、運行可靠、效率較高、成本較低和堅固耐用等優(yōu)點。電機是各個行業(yè)生產過程及日常生活中普遍使用的基礎設備，它是進行電能量和機械能量轉換的主要器件。它在現(xiàn)代工業(yè)、現(xiàn)代農業(yè)、現(xiàn)代國防、交通運輸、科學技術、信息傳輸和日常生活中都得到最廣泛的應用。本文以異步電動機為研究對象，對電機內溫度場進行耦合分析。根據(jù)傳熱學理論，首先建立了電機二維溫度場的模

2、型，其次建立了電機轉子部分三維溫度場的模型，給出了電機損耗及散熱系數(shù)的計算方法。應用有限元軟件ANSYS進行計算分析。最后分析了轉差率變化對電機溫度場分布的影響，以及有效的散熱方法，得出了一些有益的結論。關鍵詞：溫度場；異步電動機；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機又稱感應電動機，是由氣隙旋轉磁場與轉子繞組感應電流相互作用產生電磁轉矩，從而

7、實現(xiàn)機電能量轉換為機械能量的一種交流電動機。異步電動機是各類電動機中應用最廣、需要量最大的一種。在中國，異步電動機的用電量約占總負荷的60%1。異步電動機還容易按不同環(huán)境條件的要求，派生出各種系列產品。它還具有接近恒速的負載特性，能滿足大多數(shù)工農業(yè)生產機械拖動的要求。其局限性是，它的轉速與其旋轉磁場的同步轉速有固定的轉差率（見異步電機），因而調速性能較差，在要求有較寬廣的平滑調速范圍的使用場合（如傳動軋機、卷揚機、大型機床等），不如直流電動機經濟、方便。此外，異步電動機運行時，從電力系統(tǒng)吸取無功功率以勵磁，這會導致電力系統(tǒng)的功率因數(shù)變壞。因此，在大功率、低轉速場合（如拖動球磨機、壓縮機等）不如

8、用同步電動機合理2。異步電動機的種類很多，從不同的角度有不同的分類法。按定子相數(shù)分有單相異步電動機、三相異步電動機；按轉子繞組形式，一般可分為繞線式和鼠籠式兩種類型。鼠籠式異步電動機中，又有單鼠籠、雙鼠籠和深槽式之分；按電機尺寸或功率，分為大型、中型、小型和小功率電機；按電機的防護形式分為開啟式、防護式、封閉式30異步電機主要用作電動機，其功率范圍從幾瓦到上萬千瓦，是國民經濟各行業(yè)和人們日常生活中應用最廣泛的電動機，為多種機械設備和家用電器提供動力。例如機床、中小型軋鋼設備、風機、水泵、輕工機械、冶金和礦山機械等，大都采用三相異步電動機拖動；電風扇、洗衣機、電冰箱、空調器等家用電器中則廣泛使用

9、單相異步電動機。異步電機也可作為發(fā)電機，用于風力發(fā)電廠和小型水電站等。國內外研究現(xiàn)狀目前國內外很多學者對電機內電磁場、溫度場、耦合場以及影響電磁場和溫度場的某些因素進行了大量的研究工作。國際上Alonso等學者分析了諧波對電機溫升的影響4。AustinH.Bonnett.等學者發(fā)表文章對運行溫度和性能作了深入的研究5。M.Shanel等學者對電機的冷卻系統(tǒng)內的流體的特性加以分析6。E.Gurevich對發(fā)電機的轉子溫度場7,R,Krok對發(fā)電機在負載不對稱情況下的轉子溫度場進行了計算網。A.DiGerlando對大型異步電動機的定子繞組的溫度場進行了計算9。R.Krok對發(fā)電機運行時的故障診斷

10、進行了研究10。國內學者湯蘊般、孟大偉用有限元法對水輪發(fā)電機定子最熱段三維溫度場進行了計算11。魏永田對轉子部分的溫度場進行了研究12。李德基對大型發(fā)電機定子繞組槽部溫度場和汽輪發(fā)電機直接氫冷轉子三維溫度場進行了計算13。胡敏強等學者采用圓柱坐標系下六面體有限元方法計算了異步電機定子鐵芯的溫度場14。顏威利，方日杰等學者分別用有限元法和熱網絡法對電磁鐵三維穩(wěn)態(tài)溫度場和異步電動機定子溫度場進行了計算1516。許承千等運用穩(wěn)定導熱問題的有限差分法分析電機的三維溫度場計算17,李偉力等基于流體相似理論和三維有限元法計算大中型異步電動機的定子三維溫度場及采用六面體、八節(jié)點有限元方法對大型同步發(fā)電機定、

11、轉子和端部的溫度場的計算也有一些研究工作181920o目前，國內外的學者對于大型異步電動機的溫度場的研究作了很多工作，但對于高轉差率異步電動機的溫度場的研究工作還不多，這方面的文獻也不常見。但是工業(yè)的迅速發(fā)展，對異步電動機的運行安全性提出了更高的要求。1.3選題的意義隨著電機制造業(yè)的發(fā)展，電機的單機容量以及各項技術指標不斷增加，電機的電磁負荷及熱負荷也隨之提高，進而引起電機各部分溫度升高，這直接影響電機的使用壽命和運行的安全可靠性，所以對現(xiàn)代電機的發(fā)熱與冷卻問題進行研究顯得日益重要。在異步電動機的設計階段，只有初步計算和確定樣機的溫度分布和電機相關要求部件得平均溫開，才能較好地對電機各項性能指

12、標、技術要求和材料消耗等方面進行合理的分配及調整，進而使設計方案更合理，避免在試制過程中因溫升的原因而造成研發(fā)的失敗和費用的提高。所以，準確的計算電機內溫度的分布，對異步電動機的設計有十分重要的指導作用。異步電動機轉差率的升高會引起鑄鋁轉子的鋁耗增加，再加上轉子旋轉的作用，使得冷卻氣體在定轉子之間、或在轉子和定子通風槽內的流動形態(tài)變得更加復雜，因此電機的發(fā)熱和冷卻溫度的研究涉及到流體力學、傳熱學、電磁場理論和計算方法等多種學科及領域。解決電機發(fā)熱與冷卻問題，需要進行大量的工作和深入的研究。本文根據(jù)傳熱學、有限元理論，從損耗的角度對異步電動機的溫度場進行耦合分析，分別建立了電機二維溫度場、轉子三

13、維溫度場的數(shù)學模型和物理模型，應用有限元分析軟件ANSYSS行了仿真計算，并分析了特殊位置的溫度值，找出了電機內的最高發(fā)熱點。最后還分析了轉子不同轉速下電機溫度場分布的影響。不僅對異步電動機的設計和安全運行具有重大的意義，而且具有可觀的工程意義。第二章傳熱學原理2.1傳熱學的基本定律和導熱微分方程溫度場是各時刻物體中各點溫度分布的總稱。溫度場是空間坐標和時間的函數(shù)，在直角坐標系下可表示為21:;二，(2-1)p式中，T溫度k；x,y,z空間的坐標；日寸I可so式(2-1)表示物體的溫度在三個方向上均發(fā)生變化的三維非穩(wěn)念溫度場，如果溫度不隨時間變化，則為三維穩(wěn)態(tài)溫度場，這時一；'(2-2

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

15、xDdyUdz,微元體的三個邊長dx、dy、dz分別平行于x軸、y軸、z軸。此處，假設導熱物體為各向同性的連續(xù)介質，其導熱系數(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，且物體內含有內熱源，其單位體積單位時間內所發(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時間內，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時間內，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，微元體內的內能將會增加，增加的內能為根據(jù)熱力學第一定律，該微元體內的熱平衡方程式為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)就是各向同性介質在直角坐標系下導熱微分方程

17、的一般形式，他描述了導熱物體內總的能量守恒關系。方程(2-15)又可以寫成=c2t+義(2-16)4二勺4一CCC式中，一一拉布拉斯算符;Xa=a一一熱擴散率，.熱擴散率是一個由三項物性組成的綜合物性參數(shù)，也可以稱為導溫系數(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。熱擴散率和導熱系數(shù)是兩個不同的物理量，前者綜合了材料的導熱能力和單位容積的熱容量的大小，而后者僅指材料導熱能力的大小。CT當物性參數(shù)為常數(shù)并且無內熱源時，方程（2-16）可以簡化為(2-17)更=0對于穩(wěn)態(tài)溫度場，方程（2-16）的左邊項CT,此時方程（2-16）可寫為(2-18)對于無內熱源的穩(wěn)態(tài)溫度場，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溫度的通用微分方程為6Tdiv(AgradT)+=pcdr(2-20)對于各向異性介質，在直角坐標系下的導熱微分方程為II；二一，（2-21）ST=0對于穩(wěn)態(tài)溫度場，溫度T不隨時間變化，即CJ寫為Cz-Cz,GJ、Cz-cl.（4.）+（a、）=exfircycyczcz,故微分方程（2-21）可(2-22)2.2導熱微分方程的邊界條件各種導熱問題都可以用相應坐標系下的導熱微分方程來描述，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、有內熱源和無內熱源的導熱問題。為了求解

19、這些導熱微分方程，還必須給定導熱問題所對應的邊界條件。常見的導熱問題的邊界條件可以分為三類:1、第一類邊界是已知任何時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)導熱過程給定的溫度值，也可以表示To隨時間變化的非穩(wěn)態(tài)導熱過程的溫度值。2、第二類邊界式已知任何時刻物體邊界面上的熱流密度值，其邊界條件可寫成(2-24)式中，q0是給定的通過邊界面&的熱流密度。對穩(wěn)態(tài)導熱過程，中為常量；對非穩(wěn)態(tài)過程，qo是隨時間變化的量。對于邊界面是絕熱的情況，式(2-24)可寫成(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圍流

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與劉體面的對流換熱量可寫成(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成=a(T-Tf)(2-27)式中，a和Tf可以為常數(shù)，也可以是隨時間和位置而變化的函數(shù)。第三章異步電動機的有限元原理有限元法概述有限單元法是對古典近似計算的歸納和總結，它吸取了有限差分法中離散處理的內核，又繼承了變分計算中選擇試探函數(shù)并對區(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)）的定義和積分計算范圍，不是整個區(qū)域，而是從區(qū)域中按實際需要劃分出來的單元。這就克服了古典變分計算中由于不做離散處理而不能

21、求解復雜問題的缺點。在有限單元法中，由于對單元做了積分計算，就充分估計了單元對節(jié)點參數(shù)的貢獻，從而克服了有限差分法中不考慮單元所起作用的缺點220有限元法是從變分原理或加權余量法出發(fā)，結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構理論，但近年來由于此方法的有效性，迅速推廣到造船、機械等工程部門并取得了很大成績，以后又推廣到非結構的各種類型場問題，如流體場、溫度場、電磁場等領域。由于泛函的局限性，使有限元法在各學科中的推廣應用遇到困難。例如，在流體力學問題、傳熱學問題和擴散等問題中，有些當前還沒有對應的泛函。為此近年來特別注意到從微分方程出發(fā)的“變分”，并且這個計算是在離散處理的基礎上進行的，這就是離散算子的概念。例如，穩(wěn)定溫度場的有限單元法計算格式，可以在離散基礎上從能量變分求得，也可以在離散基礎上的微分方程“變分”求得（即離散算子法，國外文獻中仍稱作伽略金法）。二維場的有限元法分析數(shù)學中函數(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為旋轉體的半徑；x為旋轉體的對稱中心軸對于（3-1）式，相應的泛函形式為(3-2)（3-2）式泛函的變分與（3-1）式等價。有限單元法的單元分析1、單元變分計算的格式對單元進行變分計算時，只要將泛函計算公