Ansys Workbench在电机温度场分析的实际运用

Ansys Workbench在电机温度场分析的实际运用

 王刚,郑玉鑫

（东方电气（德阳）电动机技术有限公司 中国.德阳618000

摘要：温升高是电机最为主要的故障原因，而电机的种类很多，不同种类有着多种多样冷却方式，因此，电机的温度分析较为复杂，传统方法是以热负荷作为基准根据试验结果类比电机的设计温升，对于一些特殊结构的电机，热负荷类比法就不能满足设计需要。采用Ansys Workbench仿真软件通过FEA有限元分析（Finite Element Analysis），可以对特殊结构电机定转子热源分布、以及传导、对流、辐射等要素进行网格化分析。本文以具体案例的设计分析过程，论述Ansys Workbench稳态温度场在电机设计中的实际运用。

关键词：  温升  电机  温度场 有限元  Ansys

1 引言

我们以一台低压变频异步电动机YVF400-6-315KW、380V、50HZ为研究对象，对其定转子温度场进行仿真分析，对比求解结果与最后型式试验的偏差，从而验证Ansys Workbench仿真软件在特殊电机设计的实际运用。

电动机主要的设计参数如下：

2  2D建模

2.1 在Ansys Workbench程序界面下，通过ToolBox,进入稳态温度分析Steady-state-Thermal工作平台；

2.2 在Steady-state-Thermal工作平台点取Geometry进行几何形状设置；或者在Analysis Systems树状下右侧窗口，右键选取Geometry--Import导入定子或转子三维部件的stp、sat、step等格式；

2.3 在Steady-state-Thermal工作平台右键选取Geometry-第二行Edit Geometry in DesignModeler----可进入DM-右键点取Import1，选取生成-Generate；可获得每个部件的建模信息。

3、材料设置

 3.1 回到workbench对第三行Model右键Edit---进入Mechancial Enterprise机械单元,在Outline下的Model点取Geometry项下的每个零部件，左下表格中可以查看体积、面积、重量，并且设置材料名称、密度、热导率等；

 3.2 定转子材料设置，40度左右的热导率按下表：

4、划分网格

在workbench对第三行Model右键Edit进入Mechancial Enterprise机械单元，菜单栏点取Generate Mesh ，在树状mesh下表格relevance设置网格的相关属性，数字越小，节点和单元数越少。

5、边界设置和约束条件

5.1  热源设置

选取发热区域，Insert-Temperature设置发热点初始温度，再施加内部热源的热生成率Internal Heat Generate（发热体） ,或者Insert-heat flux,Insert-heat flow（发热面），根据电机总损耗值13920W，确定各内部热源在单位面积或单位体积的发热功率。

转子铁芯和铝条、端环的发热总面积1.688m2,

转子heat flux设置为8246W/m2.K

定子铁芯和线圈的发热总面积8.52m2,

定子heat flux设置为1634W/m2.K

5.2  散热设置

选中机壳、转轴等，进行热传导参数convecton（体积）设置；

选中定子绕组，按纯铜进行热传导参数convecton（体积）设置；

选中转子导条和端环，按纯铝进行热传导参数convecton（体积）设置；

选中各个端面、表面进行辐射参数radiation（面积）设置。

6、结果分析

   在Mechancial Enterprise机械单元，菜单栏点取solution右键Solve求解，在仿真热云图上框选取Probe，可以标注出来具体点位的温度。如下图所示:

6.1 在环境温度35时，定子最高温度仿真值为134度，温升99K；

6.2 在环境温度35时，转子最高温度仿真值为102度，温升67K；

6.3与型式试验温升值对比

采用叠频法，对变频异步电动机YVF400-6-315KW进行温升试验，在额定电流588A工况下，运行4个小时后，定子温度基本稳定，PT100测温元件显示的结果是127度，减去环境温度32度，实际温升95K,与仿真的结果基本接近。

7、结论

这次的仿真温度场分析，只考虑了机座表面的辐射散热，暂未考虑机座表面空气的对流影响，因此仿真的温度结果有所偏高，但是，作为电机温度计算的手段之一，能够在传统设计方法基础上，增添一种参考和补充。

参考文献：

《Ansys Workbench完全自学一本通》许进峰著，电子工业出版社