基于Ansys和MotorCAD仿真的无刷直流电机温度场分析

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。

图1定子绕组温度分布云图

图2机壳温度分布云图

3温度场热路法分析

在MotorCAD中按样机的设计尺寸进行建模,将损耗分析结果输入至热路法仿真模型,温度响应如图3所示。

4仿真结果对比分析

该样机额定点工作180s后实测的电阻值为0.54Ω,30℃下线电阻为0.43Ω,通过式(1)可以计算出电机稳态时绕组的温度为97.3℃,实测的机壳温度为82.5℃,如图4所示。

式中,R2为温度为T2时的电阻值:R1为温度为T1时的电阻值:T1、T2为绕组温度。

运用Ansys与MotorCAD仿真的温度与样机温度进行对比,如表1所示。

通过对比分析可知:两种方法的温度仿真结果与试验值均较为接近,验证了所建模型以及分析方法的准确性,但基于有限元分析的仿真精度要高于热路法仿真。

此外,运用0nIyI进行温度场分析的时间要明显多于MotorC0D,在电机设计方案阶段以及在温升要求较低的电机研制过程中,MotorC0D不失为一种更好的选择:但对于温升控制较为严格的电机,基于0nIyI有限元分析的温度场仿真能更好地了解电机的温度分布情况。

5结语

本文以一台1.9kw的无刷直流电机为例,将其额定点工作的温度场仿真结果与实测温升进行对比分析,验证了所建模型以及分析方法的准确性,对于后续无刷直流电机的设计及温度场仿真具有一定的指导意义。