基于Fluent的异步起动永磁电机温度场分析

doi:10.11985/2015.09.003

摘要/Abstract

摘要：

针对异步起动永磁电机在油田抽油机中的广泛应用,从电机的三维模型出发,给定了转子铁心、机座、槽内绝缘、端盖转轴的简化方法以及电机各体分块后合理的剖分尺寸,根据温度场计算数学模型明确了基本假设和边界条件,采用半经验公式法计算了气隙的等效导热系数和机壳表面的散热系数,并考虑了定子与机壳、永磁体与转子铁心、转子铁心与轴、机座与端盖、端盖与轴承、端盖与轴6处装配间隙对电机最高温度的影响。在实测损耗值的基础上计算电机各部分热源值的大小并按照一定比例进行相应加载。最后将有限体积法得到的温度场计算结果与实验值相比较,验证了本文方法的可行性。

关键词: 异步起动永磁电机, 模型简化, 装配间隙, 有限体积法, 温度场

Abstract:

As the wide application of line-start permanent magnet motors in oil pumping units, the motor 3D model is presented, and the simplified methods of rotor core, stator base, slot insulation, cover and shaft as well as the reasonable block split size are given. According to the mathematical model of temperature calculation, the basic assumptions and boundary conditions are specified. The equivalent thermal conductivity coefficient of air gap and heat transfer coefficient of casing surface are caculated with the semi-empirical formula method. At the same time, the influence of fit-up gap between stator and case, magnet and rotor core, rotor core and shaft, case and cover, cover and bearing, cover and shaft to the motor highest temperature is also taken into consideration. The heat value is caculated with measured loss value and distributed in proportion to the motor. Finally, the temperature caculated by finite volume method (FVM) and the temperature of experimental value is contrast to verify the feasibility of this method.

Key words: Line-start PM motor, model simplification, fit-up gap, finite volume method (FVM), temperature field

中图分类号:

TM341

李岩,闫佳宁,夏加宽. 基于Fluent的异步起动永磁电机温度场分析[J]. 电气工程学报, 2015, 10(9): 15-21.

Li Yan,Yan Jianing,Xia Jiakuan. Temperature Field Analysis of Line-Start Asynchronous Permanent Magnet Motor Based on Fluent[J]. Journal of Electrical Engineering, 2015, 10(9): 15-21.

图/表 14

表1

图1

图2

图3

图4

表2

表3

表4

表5

图5

图6

图7

表6

表7

参考文献 11

[1]	刘细平, 王晨, 郑爱华 . 抽油机用异步起动永磁同步电机的分析研究[J]. 微电机, 2012,45(11):16-19.
	Liu Xiping, Wang Chen, Zheng Aihua . Analysis of line-start permanent magnet synchronous motor in pumping unit[J]. Micromotors, 2012,45(11):16-19.
[2]	杨松, 柳长江 . 基于fluent的大中型永磁电机端部流场和温度场计算[J]. 船电技术, 2009,29(10):25-28.
	Yang Song, Liu Changjiang . Fluid and temperature field calculation of stator winding end in large and middle size permanent motor by fluent[J]. Marine Electric, 2009,29(10):25-28.
[3]	凌文星 . 电机温升分析研究[J]. 机电技术, 2010,33(3):66-67. doi: 10.1002/ase.1941 pmid: 31887792
	Ling Wenxing . Motor temperature analysis[J]. Mechanical & Electrical Technology, 2010,33(3):66-67. doi: 10.1002/ase.1941 pmid: 31887792
[4]	杨金霞, 元约平, 王健 , 等. 永磁同步牵引电动机温度场仿真分析[J]. 大功率变流技术, 2012(3).
	Yang Jinxia, Yan Yueping, Wang Jian , et al. Simulation analysis of temperature field of permanent magnet synchronous traction motor[J]. High Power Converter Technology, 2012(3).
[5]	张洪亮 . 永磁同步电机铁心损耗与暂态温度场研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2010.
[6]	李伟力, 靳慧勇, 丁树业 , 等. 大型同步发电机定子多元流场与表面散热系数数值计算与分析[J]. 中国电机工程学报, 2005,25(23):138-143.
	Li Weili, Jin Huiyong, Ding Shuye , et al. Numerical calculation and analysis of large synchronous generator stator multidimensional fluid fields and surface heat transfer coefficients[J]. Proceedings of the CSEE, 2005,25(23):138-143.
[7]	李伟力, 丁树业, 靳慧勇 . 基于耦合场的大型同步发电机定子温度场的数值计算[J]. 中国电机工程学报, 2005,25(13):129-134.
	Li Weili, Ding Shuye, Jin Huiyong . Numerical calculation of large synchronous generator stator temperature fields based on coupled fields[J]. Proceedings of the CSEE, 2005,25(13):129-134.
[8]	胡田, 唐任远, 李岩 , 等. 永磁风力发电机三维温度场计算及分析[J]. 电工技术学报, 2013,28(3):122-126.
	Hu Tian, Tang Renyuan, Li Yan , et al. Thermal analysis and calculation of permanent magnet wind generators[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013,28(3):122-126.
[9]	张振海 . 空空冷却电机损耗与温升的计算研究[D]. 沈阳:沈阳工业大学, 2014.
[10]	李伟力, 李守法, 谢颖 , 等. 感应电动机定转子全域温度场数值计算及相关因素敏感性分析[J]. 中国电机工程学报, 2007,27(24):85-91.
	Li Weili, Li Shoufa, Xie Ying , et al. Stator-rotor coupled thermal field numerical calculation of induction motors and correlated factors sensitivity analysis[J]. Proceedings of the CSEE, 2007,27(24):85-91.
[11]	黄国治 . Y2系列三相异步电动机技术手册[M]. 北京: 机械工业出版社, 2004.

参数名称	数值	参数名称	数值
定子/转子槽数/极数	36/28/4	端环外径/mm	117.9
铁心长度/mm	105	端环内径/mm	105.4
定子铁心外径/mm	210	机座长/mm	230
定子铁心内径/mm	136	散热筋外半径/mm	242
转子铁心外径/mm	134.4	散热筋内半径/mm	224
转子铁心内径/mm	48	机壳厚度/mm	14
永磁体宽/mm	92	散热筋数/个	36
永磁体厚/mm	3	底脚数/个	2

参数名称	数值	参数名称	数值
定子齿/mm	1.1	机壳/mm	2.0
定子轭/mm	1.0	轴承端部空气/mm	1.0
转子铁心/mm	1.0	气隙/mm	0.4
绕组/mm	0.5	转子端部空气/mm	1.0
槽绝缘/mm	0.3	端腔内空气/mm	1.0
槽楔/mm	0.2	轴承/mm	2
定子压板/mm	1.0	端盖/mm	2
转子导条/mm	0.9	隔磁槽/mm	0.9
导条端部空气/mm	1.0	永磁体/mm	1.0
端环/mm	1.0	转轴/mm	2

间隙位置	间隙值/m	导热系数/[W/(m·K)]
机壳与定子间	0.000 011 3/（式（7））	0.024 2（低温）
转子与永磁体间	0.000 1/（工艺）	0.030 5（高温）
转子和轴间	0.000 009/（工艺）	0.030 5（高温）
端盖和轴承间	0.000 01/（工艺）	0.024 2（低温）
端盖和机座间	0.000 03/（工艺）	0.024 2（低温）
端盖和转轴	0.000 05/（工艺）	0.024 2（低温）

电流/A	铁耗/W	机械耗/W	铜耗/W	杂散耗/W
10.08	143	70	312.18	74.75
	定子齿占33.19% 定子轭占66.81%	轴承	绕组	定子齿占50% 转子占25% 永磁体占25%

	损耗值/W	生热率/[×10⁶W/(m?K)]
轴承	70	0.418 451
绕组	312.18	1.025 429
定子齿	84.875	0.176 256
定子轭	95.5	0.093 270
转子	18.69	0.020 892
永磁体	18.69	0.161 210