绕线式异步电机三维温度场仿真分析

杨 震，丁 涛，郭 媛

(1.武汉科技大学，武汉 430081；2.湖北工程学院，孝感 432000)

0 引 言

异步电机是工农业生产及国民经济各部门中应用广泛的一种电机，各类泵、风机、切削机床、矿山机械等都采用异步电机为其提供动力，因此电机的运行状态直接关系到设备的稳定运作。电机在运行过程中不可避免地出现能量损耗，这些能量损耗会导致电机温度升高，而温度的变化是影响电机使用寿命的重要因素，所以电机温度场的研究对电机的设计和故障分析有着十分重要的作用。

文献[1-2]都以Y100L-2型电机为研究对象，分别对电机定子三维瞬态温度场和电机转子温度场及热应力场进行了仿真研究，得到了一些有用的结论。马宏忠等[3]基于热电耦合法，对风力发电机电刷滑环系统进行三维温度场分析，对电刷滑环系统结构优化和安全运行具有指导意义。邰永及其小组成员[4]对感应电机全域三维瞬态温度场作了分析，解决了定转子之间热交换等问题。李伟力团队[5]对笼型感应电机定转子全域温度场进行研究，针对一种电机温度场计算提出了新思想，分析了电机温度场对各相关因素的敏感性，为电机的优化设计提供较大帮助。综上所述，大多数文献对大型发电机和笼型异步电机的温度场进行了仿真研究，而对于应用广泛的中小型绕线式异步电机研究较少。

本文以型号为YR132M1-4的绕线式三相异步电机作为研究对象，建立其三维模型，运用ANSYS Workbench软件，对电机内部温度场和应力场进行分析，观察电机整体的温度和应力分布情况。着重研究了电机的电刷滑环系统[6]，得出相关结论，为电刷滑环系统的监测和故障诊断提供借鉴。

1 仿真准备

1.1 三维模型的建立

以绕线式三相异步电机为研究对象，查阅相关资料，建立该电机的物理模型如图1所示。电机的各项参数如表1所示。

图1 电机三维模型

1.2 边界条件的确定

在求解前，需要确定模型边界条件，主要是内热源和表面散热系数的确定。内热源是由电机运行过程中的能量损耗产生的，这些损耗都以发热的形式展现出来。电机各部分损耗均可根据相关公式计算，最后施加在有限元模型中求解。而对于表面散热系数还没有准确的计算公式，通过查阅资料，采用经验公式作为计算依据。表2和表3分别列出了相关计算参数和材料属性。

表2 电机各部分散热系数

表3 电机材料属性

在对电机进行温度场分析前作如下假设：材料各项同性；电机初始温度均匀，与环境温度相同；电机表面对流散热为自然对流散热，且环境温度不变；忽略电机内的集肤效应。

2 结果及讨论

2.1 电机三维瞬态温度场分析

利用以上所得数据，对电机进行瞬态温度场仿真计算，电机起动前各部分与环境温度一致，环境温度为30 ℃。仿真时间为270 s，不同时间段电机三维瞬态温度场云图如图2所示。从图2可以看出，电机开始运转时，绕组温度最高，随后电机各部件温度缓慢升高，最后温度最高位置出现在碳刷和集电环上。整个过程中，温升最高为77.04 ℃，根据电机B级绝缘，最高允许温度为130 ℃，温升限值为80 ℃，计算结果没有超过限值，电机在此状态下能稳定运行。图3为分别在转子铁心、转子绕组、定子铁心、定子绕组和碳刷上各选取一个节点，将不同时间点所对应的温度绘制成折线图。从图3可以看出，电机整体温度都处于上升趋势，在t=200 s附近时趋于平稳，温升幅度减小。达到平稳后，温度最高位置出现在碳刷与集电环接触区域，且电机转子区域温度要高于定子区域，绕组温度也略高于其铁心温度[7-9]。碳刷区域温升最高，主要是由于碳刷和集电环摩擦产热；最后温度趋于平稳，是由于在温度达到一定值时，碳刷表面形成了一层均匀、适度、稳定的氧化膜，由于氧化膜的存在，减少了摩擦，降低了磨损，故温度没有继续升高。由于通风散热的影响，所以电机内部转子区域温度要高于定子区域。

(a) t=40 s

(b) t=80 s

(c) t=120 s

(d) t=160 s

(e) t=190 s

(f) t=200 s

图3 不同时间点温度折线图

2.2 电机应力场仿真研究

由于电机的应用领域广泛，所处的环境比较复杂，使得电机内外表面存在巨大的温差，而产生很大的热应力，容易影响电机的使用寿命。因此，对于工作环境比较复杂的电机，往往需要对其机械应力场和热应力场进行分析，以确定温度变化时电机各部件材料是否满足要求。图4为对模型进行结构分析，得出的总形变和等效应力云图。从图4可以看出，如果不考虑温度变化的影响，电机运转过程中由于只受到弹簧压片对刷握的压力，形变较小，几乎可以忽略不计，电机所受应力也非常小。将前面得到的温度场结果作为体载荷施加到结构中，采用间接耦合法，得出电机热-结构耦合分析结果云图，如图5所示。对比图4和图5可知，热应力场的数值远远大于机械应力场，在电机运转过程中，电刷的刷握处出现较明显的应力集中现象，易导致材料变形，从而导致电刷系统破坏和失效[10-11]。为避免出现这种现象，在选择部件材料时要保证材料的弹性形变要小，挠度要符合要求，以保证电机的稳定运行。

(a) 总形变

(b) 等效应力

(a) 总形变

(b) 等效应力

电机在实际运行中，碳刷个数较多，流经每个碳刷的电流大小也不一样，部分碳刷可能会出现电流过高情况，从而导致碳刷发热起火，影响电机的稳定运行。因此，电流密度的分析计算对电刷系统尤为重要。图6为简化的电刷系统电流密度矢量图。从图6中可以看出，电流密度最大值位于导电杆上；铜环的电流密度最大值出现在碳刷和导电杆周向距离较近的部分，且由于铜环在不停地旋转，其电流密度周期性变化，与电机旋转频率同步。因此，要经常对电刷系统进行检测，及时发现问题，定期更换碳刷，以维持设备的正常运作。

图6 电刷电流密度矢量云图

2.3 电机转子模态分析

电机在运转过程中，不可避免会发生振动，易引起共振，从而产生很大的噪声，对设备的稳定运行也产生影响。为了提高电机的安全性能，需对设备进行动态分析，实际中一般采用模态分析的方法。将电机模型导入Workbench中进行模态分析，取扩展模态为7阶，各阶振动振型如图7所示。从图7看出，各阶模态的形变均呈现对称分布特性，2阶～5阶模态主要是电机主轴受扭转形变，形变相对较小。6阶、7阶模态则主要是弹簧压片形变，且形变远远超出了实际值，导致弹簧压片与碳刷接触不紧密，产生振动噪声，进而引起碳刷与集电环之间压力不均匀，导致碳刷与集电环接触不紧密，通过各个碳刷的电流密度分布也不均匀，易产生发热和起火等现象。图8为电机各阶固有频率。为了避免上述情况的发生，可通过改变电刷结构或改变材料参数等方式来改变电机的固有频率，避免发生共振，从而达到降噪的目的。

(a) f1=3.498 3 Hz

(b) f2=425.69 Hz

(c) f3=425.74 Hz

(d) f4=1 019.1 Hz

(f) f6=1 261.2 Hz

(g) f7=1 265.2 Hz

图8 电机各阶固有频率

3 结 语

本文以YR132M1-4型电机为研究对象，对其建立了三维导热模型，利用有限元法进行了温度场和热应力场的仿真求解，并以此为基础，对电刷滑环系统做了进一步研究，研究结果表明：

1) 电机各部件在开始运行的一段时间内温度升高很快，随后一段时间内温度上升渐缓，最后直至稳定。最高温升位置出现在碳刷与集电环接触区域，且电机内部转子区域整体温度高于定子区域，绕组温度略高于其铁心温度。

2) 电机运转过程中，电刷系统出现应力集中、部分碳刷电流密度过大、弹簧压片压力不均匀等现象，可通过改变电刷系统材料参数和优化结构等方式来提高电刷系统的性能。

3) 对电机和电刷系统所做的仿真分析，为电刷滑环系统的监测和故障诊断提供了理论依据，与实际各类电机电刷系统发热机理相似。