(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:
参数 | 设计输入 | 参数 | 设计输出 |
电机功率 | 315KW | 导条电密J2 | 1.21 |
额定电压 | 380V | 端环电密JR | 0.73 |
电机转速 | 993R/min | 定子电密J1 | 1.72 |
定子接法 | 6Δ | 热负荷AJ | 505 |
额定电流 | 588A | 定子铜耗 | 1998W |
频率范围 | 50HZ | 转子铜耗 | 1451W |
冷却方式 | IC416 | 定子铁耗 | 7006W |
绝缘等级 | F级/105K | 机械耗 | 945W |
防护等级 | IP54 | 杂散耗 | 2500W |
额定效率 | 95.5% | 总损耗 | 13920W |
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:
材料名称 | 热导率w/m.K |
钢材 | 70 |
铸铁 | 36 |
纯铜 | 398 |
黄铜 | 109 |
青铜 | 36 |
铸铝 | 130 |
纯铝 | 237 |
绝缘层 | 0.25 |
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