感应电机运行时的定子温度场分析与计算

收稿日期:2006 01 16

靳廷船 男 1980年生;哈尔滨理工大学在读硕士研究生,研究方向为电机电磁场和温度场设计

感应电机运行时的定子温度场分析与计算

靳廷船1

李伟力2

陈文彪

3

1

哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,黑龙江哈尔滨(150040)

2

哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨(150001)

3

大庆供电电器设备有限公司,黑龙江大庆(163453)

摘 要 根据中小型电机的结构特点,给出了定子绕组等效导热系数的计算方法,计算了气隙和散热翅的对流换热系数,并以一台小型感应电机为例,建立了定子二维温度场的泛函方程,采用有限元法计算了空载和额定负载运行时电机的温度场。通过把数值计算的结果与实测值进行比较,验证了所采用计算模型及方法的合理性,为准确计算中小型感应电机定子温度场提供了帮助,得出一些有益的结论。

关键词 感应电机 温度场 有限元 数值计算

中图分类号TM 301.4 文献标识码A 文章编号1008-7281(2006)02-0019-06

Analysis and Calculation of The Stator Te mperat ure

F ield of I nduction M otors in Operation Jin T ingchuan ,L i W eili ,and Chen W enbiao

Abstrac t According to t h e fea t u res of s m a ll and m ed i u m sized i n duction m otors ,the m ethod of calcu lati n g the equivalent ther m a l conducti v ity factor o f stator w i n d i n g w as g i v en,and so the heat exchang i n g coefficients of air gap and coo li n g ri b s are ca lculated .Tak i n g a s m a ll sized inducti o n m o tor for exa m ple ,the f u ncti o nal equation of stator 2 D te m perature fie l d o f the m o tor operati n g at no l o ad and rated l o ad w as established and ca l cu lated by fi n ite ele m ent m ethod .The va li d ity and accuracy o f the adopted m ode l and m ethod w ere verified by co mpari n g t h e calcu lated values w ith tested ones ,wh ich can give so m e helps for calcu lati n g the stator te m perature fi e l d of s m all and m edium sized i n duc tion mo tors .A t last so m e good conc l u si o ns w ere obtained .

Key words I nduction m otor ,te m perature fie l d ,fi n ite e l e m en,t num erica l ca lcula tion .

0 引言

电机的温升是电机运行性能的重要指标之一,它关系到电机运行的可靠性和寿命。为了提高电机材料的利用率,现代电机都采用较高的电磁负荷,从而使电机运行时的损耗明显增加,使电机各部件的温度升高。因此准确计算电机的温度场对电机的设计和运行具有很重要的指导意义。但是准确计算普通中小型感应电机的温度分布很困难,这不但和电机的结构、不同部件具有不同的热性能有关,还与转子的旋转速度有关,同时与机壳散热系数的确定和气隙的大小有关。

对于中小型电机来说,由于其定子绕组是散

下线,线径细且在槽内分布是杂乱无章的,实体建模很困难。因此,从查阅的相关文献看,对感应电动机温度场计算与分析以及实验的研究工作开展的还很少,开展此项研究工作将为设计高效率电机提供坚实的理论基础。目前在电机温升的计算中,主要采用的方法有:网络拓扑法[1][2]

、等效热

网络法[3]

、控制容积法

[4]

、热路法

[5]

、有限差分

法

[6]

以及有限单元法

[7][8]

等。随着计算机技术

和数值计算方法的发展,有限元法以其较高的计

算精度在电机温升的计算中渐渐占据主要地位。本文利用二维有限元方法,在相应的假设条件及

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2006年第2期 第41卷(总第129期)

(EXPLOSI O N -PROOF ELECTR I C MAC H I N E )

防爆电机

等效条件下,计算了一台感应电机空载和额定负载时定子的温度场,通过与实验结果进行比较,说明本计算方法的结果具有较高的准确性,满足工程实际的需要。

1 热性能参数的计算

普通Y 系列中小型感应电机普遍采用全封闭自扇冷式结构,电机内部无通风冷却系统,定子绕组内热量散热的途径主要有两条:一是经铁心由机壳传递给周围的空气;二是铁心向气隙内放热。在保证计算结果准确性,为了分析电机热过程方便,可对电机内部条件作相应的假设和归算,这对建模和有限元分析具有很大的帮助。1.1 定子绕组等效导热系数的确定

一般中小型感应电机的定子绕组都采用圆形散线,绕组在槽内的排列极不规则,为简化分析,对定子槽做如下假设:

(1)浸渍状况良好,浸渍漆填充均匀;(2)铜线的绝缘漆分布均匀;

(3)槽绝缘和铁心紧密结合在一起;(4)槽内各个导线的温差忽略不计。在上述假定情况下,可将槽内的铜线(不包括漆膜)等效地看作一个导热体,为整铜块;浸渍漆、槽绝缘和铜线的漆膜近似看作另外一个导热体,等效之后的铜块位于槽的中心,四周与槽壁平行,浸渍漆和槽绝缘均匀的分布在铜线周围,如图1所

示,各种绝缘材料的等效导热系数按下式计算[9]

K eq =

n

i =1

i

n

i =1 i K i

(1)

式中,K eq 等效导热系数; i (i =1

,2,3 n ) 各导热体厚度;K i 各导热体的平均导热系数

。

图1 定子槽部的等效处理

2.2 气隙中散热系数的确定

中小型感应电机内部和外界完全隔离,无空气流动。当转子旋转时,由于定转子间的气隙较

小,气隙中空气随转子做周向运动,若不考虑气隙中轴向气流,气隙中的雷诺数可表示为[9]

R e =

1

v

(2)

式中, 1 转子的圆周速度, 1=2 n

60 r 1,n

转子的转速,r 1 转子的外径; 气隙的长度, =r 2-r 1,r 2 定子的内径;v 空气的运动粘度。

当R e >41.2

r 1

时,气隙中的流体将出现不稳定状态,由层流向紊流过渡。

有时,取代R e 而用特依洛尔数T a 来判定气隙中流体的性质 T a =

r 0.5

m 1.5

1

v

(3)

式中,r m =0.5(r 1+r 2); 1 转子的角速度。若T a <41.2,流体属于层流,努谢尔特数N u =2;若T a >41.2,流体属于紊流,N u =0.23

2 2r 1

0.25

R e 0.5

, 为考虑表面粗糙度的经验系数(电机为2极时, =1.25)。

气隙内的对流换热系数可由下式求出 N u =

K

(4)

式中,K 空气的导热系数; 散热系数。2.3 散热翅散热系数的确定

机壳散热翅形状如图2所示。因电机非轴伸端所对应的端部风扇作用,其表面散热翅风沟的空气具有一定的速度,属于强制对流换热,辐射散热可不予考虑,对流换热系数可用下式求出

[10]

=284.55 v

L (1-e -m )

(5)式中,m =0.014767L 0.946 1.16v

0.214, =2d

d +h ;L 散热

翅的长度;v 散热翅间空气的流速;h 散热翅的高度;d 散热翅二分之一高度处相邻两个散热翅

图2 散热翅

之间的距离。

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