基于Ansys和MotorCAD仿真的无刷直流电机温度场分析

时间：2022-07-17 23:45:38

关键字：无刷直流电机温度场 Ansys

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[导读]摘要:温度场校核的准确性对无刷直流电机的设计至关重要。现从工业实践的角度,运用热路法平台MotorCAD以及有限元分析平台Ansys对无刷直流电机进行了温度场分析,并与样机工作的实际温度进行对比,验证了该模型以及分析方法的有效性和准确性,对后续无刷直流电机的研制具有一定的指导意义。

引言

无刷直流电机由于其调速范围广、转矩特性优异以及可靠性强等特点和优势,在生产实践中得到了广泛应用。如何提高无刷直流电机的功率密度一直是业界专家和学者关注的焦点,高功率密度电机研制的瓶颈之一在于温升对电机性能的影响。温升对电机绝缘材料的物理性能、金属材料的机械性能以及永磁体的磁性能均有较大影响,直接关系到电机的寿命和可靠性[1],因此在设计阶段对电机进行温度场分析至关重要。本文并未过多地关注温度场研究的相关理论,而是从实践的角度,通过样机实测的温升,与方案设计阶段运用MotorCAD以及Ansys软件仿真的结果进行对比分析,验证所建模型和所用方法的准确性和有效性。

1损耗分析

以一台1.9kw的无刷直流电机为例,额定转矩1.8N·m,额定转速10000r/min,分析该样机额定点的稳态温度场。该样机为典型的无刷直流电机结构,采用自然风冷方式进行冷却。

温度场分析的前提在于准确地计算出电机内部的损耗,主要包括定子铁芯损耗、定子铜耗、永磁体涡流损耗和风摩损耗[2]。运用AnsoftMaxwell软件对定子铁芯损耗、永磁体涡流损耗进行仿真计算,得到定子铁芯损耗为26.9w、转子涡流损耗为12.8w。风摩损耗为电机旋转时与空气之间的摩擦以及轴承高速运转时产生的摩擦损耗,取输出功率的0.5%,即9.5w:铜耗为电流流过绕组时绕组发热产生的损耗,通过相电流以及电阻值计算得到铜耗为102.8w。

2温度场有限元分析

运用Ansys软件对电机进行稳态温度场分析,可以有效地抛开复杂繁琐的微积分变换求解公式,只需准确计算电机的发热损耗,即热源强度、等效导热系数、对流系数等热参数,就可在Ansys热模块中进行求解。

基于电机的实际工况以及仿真的可操作性,现对样机的传热方式作如下假设:

(1)不考虑热辐射:(2)整个绕组等效为一体,具有相同的导热系数:(3)定子槽内空气层、导线漆膜、浸渍漆、槽楔等绝缘材料等效为一体,具有相同的导热系数:(4)电机轴向的温度梯度为0:(5)定转子间的气隙用等效导热系数的材料代替,这种处理方式与定转子间流动空气的对流换热效果是相同的[3-4]。

基于以上假设,根据损耗计算以及电机材料的相关物理参数,将计算得到的导热系数、生热率和对流系数等热参数

耦合至电机模型,仿真得到电机各部分的温度分布如图1、图2所示。