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多场耦合的电机温度场热关键参数等效.docx
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多场耦合的电机温度场热关键参数等效.docx
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摘要
针对复杂工况下不稳定发热时多场耦合法计算电机全域温度场中关键参数问题,以封闭式结构自冷
式异步电机为研究对象,建立二维电磁场-温度场耦合场求解模型计算电机全域暂态温度场。针对
模型中热关键参数的等效问题,通过等效外壳表面散热系数处理外壳端部的散热,通过等效定转子
对流系数处理定转子端部的散热。针对二维模型端盖的等效问题,通过修正热源的方法等效处理电
机端盖的散热。搭建实验平台对电机进行温度场实验,通过对定子绕组、转子、外壳和筋板等部位
仿真和实验结果的对比分析,验证热关键参数等效、修正热源等效处理端盖散热方法的正确性,以
及多场耦合求解方法的合理性。
Abstract
To solve the calculation problem of the key parameters in the global temperature
field of motor based on multi-field coupling method under complicated conditions
with unstable heating, a two-dimensional electromagnetic field-temperature field
coupling model is established to calculate the motor global transient temperature
field, taking a closed structure self-cooled asynchronous motor as study object. To
solve the equivalence of the thermal key parameters in the model, the heat
dissipation at the end of the shell is treated by the equivalent heat dissipation
coefficient of the shell surface, and the heat dissipations at the end of the stator and
rotor are treated by the equivalent convection coefficients of the stator and rotor.
The equivalent problem of the end cover of the two-dimensional model is solved by
modifying the heat source to deal with the heat dissipation of the motor cover. The
experimental platform is built to carry out the temperature field experiment of
motor, the simulation and experimental results of stator winding, rotor, shell and
stiffened plate are compared and analyzed to verify the correctness of equivalence
of the thermal key parameters, the heat source equivalent treatment method, and
the rationality of the calculation method of the multi-field coupling method.
译
关键词
复杂工况; 多场耦合; 电机全域温度场; 热关键参数; 修正热源
Keywords
complicated condition; multi-field coupling; global temperature field of
motor; thermal key parameter; heat source modification
译
随着更小更高效电机的发展,在传统电磁设计的同时必须进行电机温度场分析。目前国内外主要采
用公式法、热网络法和有限元法对电机温升进行计算
[ 1-3 ]
。公式法计算简单,但精度差,只适合粗
略计算电机温升;热网络法计算速度快,但受温度节点限制,不能全面分析温度场的分布情况;随
着高效计算机的普及,有限元法被广泛使用。文献[4]对一台异步电动机进行电磁场与温度场单
向耦合仿 真计算,并 将计 算结果与实 验结 果进行对比 ,但未考虑温度 对散热系数以及 电阻的影响。
文献[5]利用三维有限元软件对轮毂电机进行了磁热双向耦合分析,考虑了电磁场对温度场的影
响,但三维模型耗时过久、占用计算资源过多。文献[6]建立了感应电动机定、转子全域温度场
二维有限元计算模型,计算了定、转子的稳态温度场,但忽略了定、转子端部的影响。
电机电磁场和温度场相互耦合,应采用多场耦合的方法计算温度场,电机温度的变化影响磁场的分
布,进而影响电机损耗,其又对温升产生影响,使用双向耦合法可以更加准确地计算电机温升。三
维模型能够反映电机的端部,但计算时产生大量的数据交换,计算时间长、计算量大、对计算机要
求较高
[ 7,8]
。二维模型相比三维模型计算量较小,计算时间较短,求解更简单,但不能反映电机端
部。二维模型视轴向绝热,但实际端部的散热不可忽略,因此二维模型要对端部进行等效。
对电机外壳端部的等效是将其折算为电机外壳表面散热系数,通过外壳端部面积和外壳总散热面积
的折算将 外壳端部的 散热 系数折算到 外壳 表面散热系 数;通过对定、 转子间对流系数 的折算对定、
转子端部进行等效;通过等效修正电机的热源对端盖进行等效。
1 多场耦合模型的建立和求解
1.1 多场耦合模型的建立
以一台 100 W 小型封闭自冷式异步电机为研究对象,该异步电机额定电流为 0.5 A,定子外径为
120 mm,定子内径为 71.16 mm,铁芯长为 50 mm,气隙厚度为 0.18 mm,定转子槽数分别
为 24 和 30,建立二维模型如图 1 所示,图中标注点为数据采集点。
图 1 二维模型
Fig.1 Two-dimensional model
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
1.2 多场耦合模型的求解
直角坐标系下的求解域内,二维瞬态热传导方程以及边界条件为
[ 9, 10]
⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪∂∂x(λx∂T∂x)+∂∂y(λy∂T∂y)+q=ρc∂T∂t−λ∂T∂n∣∣S1=0−λ∂T∂n∣∣S2=−α(T−Te)∂∂xλx∂T
∂x+∂∂yλy∂T∂y+q=ρc∂T∂t-λ∂T∂nS1=0-λ∂T∂nS2=-αT-Te
(1)
式中:λ
x
、λ
y
分别为 x、y 方向上的导热系数;T 为电机温度;q 为热源密度;ρ 为密度;c 为比热
容;t 为时间;S
1
为电机绝热边界面;S
2
为电机散热边界面;n 为边界法方向;λ 为 S
1
和 S
2
面法
向热传导系数;α 为 S
2
面的散热系数;T
e
为周围介质的温度。
电磁场-温度场耦合模型仿真计算方法如图 2 所示。图 2 中:T
1
为电磁计算周期;N 为每次求解电
磁场的时长;T
2
为热源计算间隔;M 为求解温度场的总时长。
图 2 多场耦合模型求解方法
Fig.2 Solving method for multi-field coupling model
下载: 原图 | 高精图 | 低精图
2 热关键参数的等效
电机端部散热主要包括外壳端部散热、端盖散热、定子及转子端部散热。
温度场计算时,电机端部的散热主要影响外壳表面散热系数和定、转子对流系数。等效处理端部的
散热即对外壳表面散热系数和定、转子对流系数进行等效计算。
2.1 外壳表面散热系数的计算及等效
2.1.1 外壳表面散热系数的计算
电机采用自然冷却散热方式。二维模型中电机外壳与定子铁芯长度相同,而实际上电机外壳长度远
大于模型中定子铁芯长度,因此外壳端部散热需要等效计算。
考虑到电机内部有气体循环,外壳表面散热系数可按下式进行计算
[ 11, 1 2]
:
α外壳=14(1+0.5ωi−−√)θ/25−−−−√3α 外壳=141+0.5ωiθ/253
(2)
式中:α
外 壳
为外壳表面散热系数;ω
i
为吹拂机座内壁的风速;θ 为机座壁外表面的温度。
2.1.2 外壳表面散热系数的等效
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