_永磁直流无刷力矩电机温度场分析

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引言
永磁力矩电机是一种低转速、 大转矩的电动机，
电机温度场分布云图仿真结果符合电机的温升规 说明所建立的理论分析模型和分析方法是可取 律， 的， 为电机的设计优化及更好地解决其发热问题提 供参考依据。
具有精度高、 结构简单、 体积小、 布置灵活、 免维护等 特点， 在国防与航天、 天文观测、 机器人、 船舶等领域 有广泛的应用。 由于力矩电机常工作在低速状态 下， 冷却方式多数采用自然冷却， 散热条件较差， 使 得电机局部温升问题较为突出， 影响电机的寿命。 因而温升计算已成为永磁力矩电机设计当中关注的 一项重要内容， 只有对其进行温升计算分析， 保证电 机各部件温升在要求的范围内， 电机才能安全运行， 寿命才能相应提高。 本文针对永磁直流无刷力矩电机结构特点 ， 建 立了三维温度场有限元模型， 运用 Ansys 分析软件 对永磁无刷直流力矩电机进行了分析计算 ， 得到了
参考文献 ［ 1］ 魏永田， ． 北京： 机械工业 孟大伟． 电机内热交换［M］ 1998 出版社， ［ 2］ Motor － CAD software manual． Motor Design Ltd ［ 3］ 杜国华，房建成，刘西全， 等． 高速永磁无刷直流电机 ． 北 京 航 空 航 天 大 学 学 报，2012 ， V38 的热分 析［J］ （ 8 ） ： 1101 － 1105 ， 1128 ［ 4］ 张颖博， 王风翔， 邢军强， 等． 高速永磁电机铁耗计算 J］ ． 大电机技术， 2009 ， 8 ： 39 － 43 方法研究［ （ 下转第 55 页）
DOI:10.13667/ki.52-1046/th.2015.03.011
Analysis of the 3D temperature field of permanent magnet brushless DC torque motor
SHI Zhongzhen Abstract ： In this paper the temperature field of permanent magnet brushless DC torque motor is calculated using finite element analysis software． According to the theory of heat transfer，the torque motor temperature field calculation model under the condition of continuous rotation blockage is built． The boundary conditions are obtained according to the internal heat exchange of the torque motor，and then finite element simulating calculation is carried out of the model to examine the model simplification and heating of each part of the motor． The simulation results and the laws of the motor temperature are in satisfactory agreement． The analysis method has certain reference significance for the design optimization of brushless DC torque motor and analysis of its temperature field． Keywords： permanent magnet brushless DC torque motor； temperature field； finite element； heat exchange
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［1 ］
： （ 1）
T n
由于铁心中齿部和轭部磁通密度分布不同 ， 因
而基本损耗也不同， 应分别计算。 （ 1 ） 轭部铁心的基本损耗［1］ P Fej = K a p Fej G j 式中： K a —经验系数， 直流电机取 K a = 3． 6 ； G j —轭部铁心重量； p Fej —单位质量损耗， 也称比损耗， p Fej = p10 / 50 B2 j （ 最大磁通密度值； f—电枢磁场交变频率， f= 对数。 （ 2 ） 齿部铁心的基本损耗［1］ P Fet = K b p Fet G t 式中： K b —经验系数， 直流电机取 K b = 4 ； G t —齿部铁心重量。 2. 3. 2 铜耗的计算
·45·
的力矩电机是在堵转情况下
［1 ］
运行， 风磨损耗很小可以忽略。 滚动轴承的摩擦损耗可用下述公式计算 P f = 0 ． 15 F －5 υ × 10 d ：
（ 11 ）
式中： P f —滚动轴承的摩擦损耗； F —轴承载荷； d—滚珠中心处直径； υ—滚珠中心的圆周速度。
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永磁力矩电机三维温度场计算
假定电流在绕组截面上均布， 基本铜耗为： P Cu = 3 Ι Ｒ 式中： Ι —相电流； Ｒ —相电阻。 2. 3. 3 机械损耗 机械损耗包括轴承的摩擦损耗、 转子风摩损耗， 但这些损耗在大多数情况下均难以准确计算 ， 一般 情况下， 根据电机实验数据来近似计算或估算所涉 及电机的机械损耗
［1 ］
1 ） 每槽绕组为一体结构， 且为梯形分布， 每槽 绕组产热相同。 2 ） 槽内所有绝缘的材料性能均假设为槽绝缘 材料且均看作一体。 3 ） 由于该电机转速较低， 模型忽略定子损耗和 转子涡流损耗。
2. 2. 2
电机内外散热系数的确定
对流换热是指流体与所接触的固体表面间的热 量传递过程， 它是热传导和热对流综合作用的结果 。 根据牛顿冷却定律可知 ： q = hA（ T surface － T ambient ）
1 ） 采用频域处理方法计算振动有效值存在必 然缺陷， 尤其分析非稳态振动信号效果不好 。 2 ） 无论是分析稳态振动信号还是非稳态振动 信号， 采用时域滤波方法可以有效的提高时域计算 方法的精度。 3 ） 时域滤波方法在分析稳态信号时， 效果更为 明显。
永磁直流无刷力矩电机温度场分析
史忠震
（ 贵州交通职业技术学院， 贵州
摘
贵阳 550008 ）
要： 运用 Ansys 有限元分析软件对永磁直流无刷力矩电机进行了温度场分布研究 ， 根据传热学理论建立了力矩
电机连续堵转运行条件下的温度场计算模型 ， 通过力矩电机内热交换给出了边界条件 ， 对该模型进行有限元仿真计 研究力矩电机模型简化以及电机各部件的发热情况 ， 得出的仿真结果与电机实测数据基本相符 ， 说明该分析方 算， 法对于直流无刷力矩电机的设计优化以及电机的温度场分析具有一定的参考意义 。 关键词： 永磁直流无刷力矩电机 中图分类号： TM33 ； TM351 温度场 有限元 内热交换 文章编号： 1002 － 6886 （ 2015 ） 03 － 0043 － 04 文献标识码： A
根据上述分析， 本文对一台 10 极 12 槽的永磁
直无刷力矩电动机， 电机两端端部用环氧树脂灌 封， 在环境温度为 22℃ 以额定转速 4 650 rpm 工作。 对此电机进行了三维温度场计算， 得到该电机稳态 时温度分布云图如图 3 所示。
从表 3 中的数据可以看出， 在计算非稳态的振 动信号情况下， 采用时域滤波方法精度提高的效果 虽然不如稳态信号下明显， 但是依然可以有效提高 计算结果的精度。
［1 ］
式中： q—热通量； h—模系数； A—表面积； T surface —表 面温差； T ambient —环境温度。 （ 1 ） 机座壁向周围空间的自然传热系数可表示 为
［2 ］
Nu = 0 ． 525 （ Gr × Pr） h = Nu × k / d
0 ． 25
（ 3） （ 4）
式中： Nu—努塞尔特数； Pr—普朗特数； Gr—格拉晓
·43·
式中： q—热流密度； λ —导热系数； T / n—温度梯 ； “－ ” 度 表示热量流向温度降低的方向。 热分析所涉及电机各部件的材料特性参数如表 1 所示。
图1 电机三维简化模型 表1 材料 导热系数 W / （ m· K） 材料 导热系数 W / （ m· K） 电机各部分的导热系数 空气 0． 024 铜线 317 铝棒 273 合金钢 258 硅钢带 60． 5 槽绝缘 0． 13 钐钴磁钢 10 环氧树脂 0． 4
1
永磁直流力矩电机模型的建立
分析模型是运用 UG NX 依据工程图纸建立的
三维实体模型。为了得到较好的网格， 将零件上一 些对温度场分析影响不大的细节特征省去 ， 同时又 由于本文主要目的在于确定理论分析模型和温度场 对于那些不是主要热源以及对整体温度 计算方法， 场影响不大的部件也进行了适当简化， 实体模型如 图 l 所示。 为了分析计算方便， 给出了电机的一些基本假 设如下：
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结论
1 ） 由图 3 可知绕组稳态时温度为 90． 57℃ ， 为
电机的最高温度， 由此可知定子绕组为电机中最大 热源。永磁体最高温度为 41． 6℃ ， 温度较低， 在该 温度下工作不会影响永磁体材料性能， 从而不会影 响电机的性能。 2 ） 该力矩电机的温度场有限元仿真结果与实 测结果基本相符， 表明该模型建立较为合理， 绕组模 型简化为鼠笼式， 符合实际形状， 能够较好的满足永 磁直流无刷力矩电机温度场仿真要求， 对该类型电 机的热分析具有一定的参考意义 。
［6 ］
2
2. 1
三维温度场分析的建立
有限元网格的划分 有限元网格划分采
（ 2）
用手 动 划 分， 分别采用 多域 法、 扫掠法并结合 体、 边尺寸控制对其细 化， 获得较好的网格单 有限元模型的网格 元， 有 102 004 个网格单元， 543 988 个节点数， 网格 划分的有限元模型如图 2 所示。 2. 2 电机内热交换系数的确定 电机内的热交换方式通常有三种形式， 即热传 导、 对流换热及辐射换热， 而辐射换热是借助电磁波 传递能量的过程， 其中在电机内只占很少一部分， 可 因此内热传导和对流换热是电机主要 以忽略不计， 的热交换形式。 2. 2. 1 电机零部件导热系数的确定