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| 基于ANSYS的电励磁同步电机温度场分析（zxj） |
| 2012年5月17日 |
摘要：利用ANsYs有限元软件的热分析功能对1250kw的电励磁同步电机进行了仿真，给J{_了不『司负载F定、转子的温度场分布罔。分析了同步电机绕组温度与损耗的关系，提出了无机械传感器的绕组温度检测方法。仿真实验结果证明了该方法的有效性。研究结果对电机的温度检测具有一定的指导意义。
关键词：ANSYs；有限元；同步电机；温度0 引 言煤矿提升系统是煤矿生产巾十分关键的一个环节，电动机本身的安全决定r提升系统的可靠运行，对电动机的状态监测十分重要。电机运行时内部产生的损耗绝大部分要转换成热能，引起电机各部分温度升高。近年来，电机单机容量不断增大，电机运行时产生的单位体积损耗也在增长，引起电机发热严重，直接影响电机使用寿命和运行可靠性。
冈此，对电动机的温度监测显得格外重要。目前，温度检测主要采刚机械温度传感器的测量方法。这些方法需要机械传感器，它们存在传感器安装困难、维护工作****、容易出现机械和电路故障、可靠性不高等问题。针对机械式温度传感器的问题，本文提出种无机械传感器的电动机温度检测方法。利用Ansys有限元软件的热分析功能对电机的温度场求解得到整个电机内部各点的具体温度，通过分析得到同步电机绕组温度与损耗的关系。研究结果对电机的温度检测具有一定的指导意义。
l 电机定转子二维温度场计算模型因电机内部热传递过程复杂，为了简化分析，现将模型做如下假设：
(1)电机沿轴向是连续分布的；(2)电机沿轴向的温度梯度为零；(3)把传导物质当做各向同性物质；(4)不计热辐射作用。
在假设条件下，将电机的温度场问题简化为：维问题，根据传热学理论，在直角坐标系下稳态运行的定、转子二维热传导方程为…：
式中：L为2．．．E的给定温度；A为垂直于z：表面的热传导率；‰为通过z：表面的热流密度；“为f，表面的散热系数；L为z，表面与物体接触的冷却介质温度。
2不同负载下电机温度场分析本文进行温度场分析的是二十极三相电励磁同步电机，建模时输入的实体模型参数为：额定功率1250 kw；额定电压1460 v；额定励磁电流450 A；额定转速48 r／min；定子外径3m；转子外径2．91m；铁心长度2 m。
根据以上数据、材料属性和边界条件，加载求解得到求解域上的温度场分布图。
同步电机定子内产生的热量主要通过机壳传递给周围的空气，转子内的热量主要通过转子中间的冷却空气散热掉，电机转子旋转时电机内部空气随转子运动，热传递过程复杂，为简化分析，根据电机的具体结构和热传学理论，在假设的基础上，可以将电机的温度场简化为二维问题求解。求解时在电机不同部位施加相应的生热率，机座外壁、定子内圆、转子外同、励磁绕组侧面赋第三类边界条件，轴承赋第二类边界条件，转子中冷却空气赋第一类边界条件(冷却空气温度为40℃)。不同负载时电机整个求解域内温度的分布如图1～图4所示。
由图1～图4可知，在电机整个求解域，转子绕组的温度****，这是因为转子绕组的铜损耗比较大，发热量多。定子绕组的上层和下层绕组的平均温度基本相同，这是因为铜的导热系数相对于周围的绝缘层来说高很多，而且本身也是热源，同时也与铜周围的绝缘层的导热系数小导热性能差有关。但上层绕组的温度更高些，上层绕组的热量一部分通过导热性能不太好的槽楔向气隙放热，一部分通过下层绕组和铁心向外界散热，相对说上层绕组的散热条件较差些。在定子铁心域内，齿部温度****，沿径向温度逐渐降低，最后通过电机外壁与周围空间进行能量交换。在转子铁心域内，热量主要通过转子内的冷却空气散热掉，从而降低电机内部温度。不同负载下，电机各位置的温度如表J所示。
3同步电机温度与损耗的分析电机在经过长时间运行后，热敏电阻值和机壳温度基本稳定，电机达到热稳态，电机在不同负载下的损耗及相电压、相电流等具体参数均可由仪器测得”。。电机带载时由于定转子绕组均为发热源，此时定转子绕组的温度不仅仅与绕组本身的温升、环境温度有关，发热源之间也通过传热相互影响。
凶此，同步电机定子绕组和转子绕组的温度关系为：
式中，t为定转子绕组温度；T为转子绕组温度；“为定子绕组单独发热的温升；t为转子绕组单独发热的温升；A。为转子绕组给定子的传热系数；k为定子绕组给转子的传热系数；T为环境温度；T为转子内冷却空气温度；Q一为定子绕组的总发热量；A。为定子绕组的散热系数；p，为转子绕组的总发热量；A，为转子绕组的散热系数。
根据式(3)，当定子绕组单独发热或转子绕组单独发热时，根据已知温度首先确定发热源之间相互传热系数k、k，其中k为0．2127，k为0．02324。转子绕组给定子的传热系数k大约为定子绕组给转子的传热系数k的lO倍关系，这是因为定子绕组产生的热量主要通过定子铁心沿径向通过外壁与周围空间进行能量交换，它向转子的热传导量较小；而转子绕组产生的热量虽大部分通过冷却空气散掉，但仍有部分热量通过定转子问气隙向定子侧传热。然后再根据式(3)计算出定子绕组单独发热的温升rs和转子绕组单独发热的温升0关系，如利用式(3)，结合表2可以计算出基于转子绕组温度的定子绕组温度估算值，以及基于定子绕组温度的转子绕组温度估算值，如表3所示。环境温度为30℃，转子内冷却空气温度为40℃。
根据表3的温度值和不同负载下的损耗数据，可以绘制出电机绕组温度与损耗的关系曲线。
图5是定子绕组温度与电机损耗的关系曲线，其巾实线是基于转子绕组温度的定子绕组温度估算值，虚线是仿真实验值。
图6是转子绕组温度与电机损耗的关系曲线，其中实线是基于定子绕组温度的转子绕组温度估算值，虚线是仿真实验值。 |
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