变频控制下永磁同步电机温度场分析
Ansys Workbench在电机温度场分析的实际运用
Ansys Workbench在电机温度场分析的实际运用
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380V 端环电密0.7电压 JR 3
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；
带阻尼条的永磁无刷直流电机转子温度场分析
Ｖ．０１．２８ Ｎｏ．１ ２０ｏ８．１，２ 船电技术２０ｏ８年第１期
带阻尼条的永磁无刷直流电机转子温度场分析
黄丽华吴海鹰
（中国船舶重工集团公司第七一二研究所，武汉４３００６４）
摘要：随着永磁电机的单机容量和功率密度不断增大，使得电机运行时产生的单位体积损耗显著增加，引 起电机各部分温度升高，这直接影响电机的寿命和运行的可靠性。大型永磁电机的实际运行是一个非常复
杂的物理过程，为了准确地描述这一物理过程，从包括电磁场和温度场在内的多场耦合的角度进行分析是
必要的。本文采用有限元法围绕永磁电机转子三维温度场进行了系统地研究。
关键词：永磁无刷直流电机涡流损耗有限元法散热系数
中图分类号：ＴＭ３５Ｉ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００３－４８６２（２００８）Ｏｌ－００１７－０４
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｆｉｅｌｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｂｒｕｓｈｌｅｓｓ ＤＣ Ｍｏｔｏｒ’Ｓ
Ｒｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｄａｍｐｅｒ Ｂ ａｒ
Ｈｕａｎｇ Ｌｉｈｕａ，Ｗｕ Ｈａｉｙｉｎｇ
（Ｗｕｈａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｒｉｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ，ＣＳＩＣ，Ｗｕｈａｎ ４３００６４，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔｔ ＷＩ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｉｎ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｙ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ ｏｆ ＰＭ ｍｏｔｏｒ ｉｎｃｒｅａｓｅｄ ｇｒａｄｕａｌｌｙ，ｔｈｅ ｕｎｉｔ
ｖｏｌｕｍｅ ｌｏｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｒｉｓｅｓ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ．Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｉｎ ｅａｃｈ ｐａｒｔ ｏｆ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ｒｉｓｉｎｇ，ｔｈｅ ｌｉｆｅ
ａｎｄ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ．Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｌａｒｇｅ－ｓｃａｌｅ ＰＭ ｍｏｔｏｒ ｉｓ ａ ｖｅｒｙ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｐｈｙｓｉｃｓ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ．Ｔｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅ ｔｈｉｓ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ｅｘａｃｔｌｙ，ｉｔ ｉｓ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｔｏ ａｎａｌｙｚｅ ｉｔ
基于ANSYS软件的永磁电机温度场仿真分析
基于ANSYS软件的永磁电机温度场仿真分析
颜文悦
【摘 要】应用有限元分析软件ANSYS来模拟仿真永磁电机在工作过程中达到稳态时的各个部件温度分布情况.结合对仿真云图的分析,提出简化计算的方法并加以利用,为优化永磁电机的设计、改善温度分布、提高性能、延长使用寿命等提供参考.
【期刊名称】《宁德师范学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2018(030)004
【总页数】4页(P393-396)
【关键词】永磁电机;温度分布;ANSYS有限元分析
【作 者】颜文悦
【作者单位】宁德师范学院数理学院,福建宁德352100
【正文语种】中 文
【中图分类】TM351
近年来，随着工业科技的飞速发展，永磁电机大量的应用到人们的生产生活中.由于电机制造工艺及技术的进步、工业生产规模的扩大对电机功率要求提升，同时对电机的工作负载的要求也越来越大.与此同时，原本在电机运行过程中并不突显的电机发热问题也越来越引起了人们的重视.如何在不降低电机功率的同时能行之有效地控制电机的温度上升，从而防止电机由于发热较快、散热较慢而导致配件加速老化、电机使用寿命降低的问题，成为研究人员关注的焦点[1].
本文利用ANSYS有限元分析软件，采用有限元分析方法，对永磁电机运行过程中达到稳态时的温度分布情况进行仿真计算.从而找出永磁电机工作达到稳定状态时的温度分布规律，为优化电机温度控制设计、提升其性能等方面提供参考[2].
1 有限元分析法
有限元法是目前国内外在工程上多种数值模拟计算方法的流行方法，其主要特点是可以较好地应用于一些形状相对比较复杂的组合物体的计算上，并且可以根据不同部位的不同需求进行粗算和精算的选择.在尺寸较大且对计算精度要求不高的部位可以采用粗算的方法，而在尺寸精细或是对计算精度要求较高的部位采用精算的方法.这样既可以满足计算的效率，又基本不影响计算的结果.因此，目前该方法已被广泛地应用在工程计算方面[3].
变频器G120驱动永磁同步电机调试方法研究
现代制造技术与装备62019第9期 总第274期
永磁同步电机具有效率高、转矩高、功率密度高和调
速性能好等优点，广泛应用于冶金、陶瓷以及汽车等行业。
在永磁同步电机变频调速应用中，快速调试时需要输入电
机额定电压等铭牌参数。三相永磁同步电机铭牌如表1所
示，铭牌上标注电压为20～380V；若按照380V电压输入，当变频器输出频率未达到给定频率时，输出电流已经过载。
因此，如何设置额定电压值成为一个调试中必须面对的问
题。本文以G120变频器为例，研究同步电机调试方法。
表1 永磁同步电机铭牌参数电机功率/V20～380额定转速/（rad/min）1500频率/Hz4～75额定电流/A2.5A电机接法三角形防护等级IP54电机功率/kW1.1绝缘等级F1 三相永磁同步电机调试流程
根据公式法确定电机额定反电动势，将电压值输入G120变频器进行快速调试，观察电机运行效果；如果效果
良好，则完成调试；如果效果不好，应该采取第二种方法，
即最小电流法，找到固定频率点下最小电流处对应的电压
值。具体调试流程如图1所示。 公式验证额定反电动势
G120快速调试优化
最小电流法额定频率点电压
G120快速调试不好
好
完成调试观察运行效果
图1 G120驱动永磁同步电机调试流程2 公式验证法原理分析
永磁同步电机反电势测量方法是在待测电机B不接任
何驱动器情况下，用主动电机A拖动待测电机B旋转；主
动电机A需要精确地保证恒速运行，再用示波器测量待测电机B任意两相的线电压波形，根据线电压的波形幅值计
算出反电动势系数。
该方法需要我们研究两个重要参数。
第一，转矩常数。在规定条件下，电机通入单位线电
流时所产生的平均电磁转矩。
第二，反电动势常数EMF。在规定条件下，电枢绕组
开路时，电机在单位角速度下运转时在电枢绕组中所产生
的线感应电动势。对于方波驱动电机，反电势为峰值；对
正弦波驱动电机，反电势为有效值。理想情况下，当采用国际单位时，对正弦波驱动电机转矩常数Kt和反电势常数Ke关系如式（1）、式（2）所示。
ANSYS CFD 电机温度场仿真分析流程
ANSYS CFD 电机温度场仿真分析流程
1前言
电机是一种实现机电能量转换的电磁装置。从19世纪末期起，电机就逐渐代替
蒸汽机作为拖动生产机械的原动机。电机在运行时将产生各种损耗，这些损耗转变
成热量，使电机各部件发热，温度升高。电机中的某些部件，特别是电机的绝缘，
只能在一定的温度限值内才能可靠工作。为维持电机的合理寿命，需要采取适当的
措施将电机中的热量散发出去，使其在允许的温度限值内运行。
电机冷却的目的就是根据不同类型的电机选择一种合理的冷却方式，保证在额
定运行状态下，电机各部分温度不超过国家标准允许的限值。电机的冷却方式，主
要是指对电机散热采用什么冷却介质和相应的流动途径。改进电机的冷却技术，对
提高电机的利用系数和效率及增加可靠性和寿命，特别对提高大型电机的单机容量，
都具有重要的意义。
为了找到最佳的电机冷却方式，需要对电机在工作过程中的核心流动问题进行CFD仿真分析。电机的CFD仿真分析的核心问题即是电机散热系统分析，涉及通
风系统、通风部件、换热部件的设计优化问题以及电机核心部件的温升（起动时及
额定工况）等问题。
2技术路线
电机的稳态温度场仿真的分析流程如下图所示。原始模型
简化模型，忽略模型中次要部分，如对传热影响不大的部件和局部细节特征
保留和传热的相关固体区域，并做适当简化，不同材料的固体要单独成体
生成流体域，并根据模型对流体域进行分块如动静域的划分等
对不同块分别划分网格
合并和优化网格，并生成交界面设置输入条件，包括热源，冷却系统的流量，空气对流条件等选择动参考系模型，设置不同域的运动属性
选择湍流模型，并打开能量方程设置不同部件的材料属性
设置求解方法和收敛准则
初始化模型并计算
后处理模型，得到主要部件的温度等
3实施过程
以一个基于FLUENT的异步电机的稳态温度场分析为例进行说明。
3.1几何处理
电机的温度场仿真既涉及到空气的流动，也涉及到热量在绕组和其他结构件之
间的传递，属于流-固共轭换热的范畴，因此仿真计算域中既包含流体域，也包含固
基于Motor-CAD的永磁同步电机的温度场分析
基于Motor-CAD的永磁同步电机的温度场分析
摘要：由于新能源电动汽车用永磁同步电机要求具有高功率密度，体积小，重量轻以及输出转矩大等特点，这需要电机具有较高的电负荷和磁负荷，然而这些都会产生较高的铜损和铁损，使电机发热过快，温升变高。因此，针对永磁同步电机的温度场分析是十分有必要的。本文以额定功率为80kw的电动客车用永磁同步电机为研究对象，通过热路法对该电机进行了温度场仿真，并通过实验验证了仿真的正确性。
关键词：新能源电动汽车；温度场仿真；热路法
一、引言
电机内部包括了定子铁芯、转子铁芯、轴、永磁体、绕组、轴承、壳体等部件，这些部件中所用材料、结构等都不尽相同，他们的导热性和产生的热能也不同，想要准确计算电机的各个部件的温升是非常困难的。而电机的温升又对电机运行的性能影响非常大，当电机的温度过高时，不仅会导致永磁体剩磁密度的下降，甚至永久失磁；而且还会使电机绕组的绝缘层损坏，使电机无法正常运行。因此电机的温度场仿真是电机生产实践中一个比较重要的环节。
随着电动汽车永磁同步电机的广泛研究，国内外的研究学者对永磁同步电机的温度场也做了大量的研究，文献[1]中对通过建立电机的三维模型对电机不同工况下的温度场进行了分析；文献[2]通过三维流固耦合的方法对高速永磁同步电机做了温度场分析并验证了仿真的正确性。文献[3]通过新型的有限公式法建立水冷永磁同步电机的温度场数学模型，给出了该方法下的对流散热边界处理和编程实现的方法。
本文将通过Motor-CAD热路仿真软件来对一台额定功率为80kw的永磁同步电机电机损耗和温度场进行分析，并通过实验来验证仿真的正确性。
二、电机的损耗分析
（一）电机的铁耗分析
三、电机的温度场分析
本文以一台额定功率为80kw，额定转速1150rpm的电动客车用永磁同步电机为分析模型，基于Motor-CAD热路仿真软件对电机进行了温度场仿真，仿真模型如图3-1所示，包含了电机轴、壳体、定子铁芯、转子铁芯、定子绕组、永磁体和电机端盖部分。电机采用水冷的冷却方式，冷却水道采用的是周向螺旋形水道。在模型中设置通入的冷却水流量为15L/min，进水温度为40℃。对于电动客车用永磁同步电机，其运行的路况比较复杂，本文将采用两种工况来分析电机的温升情况，并通过试验对比来验证仿真的正确性。
基于Ansys的永磁同步电机温度场分析
第２５卷第２期 ２０１３年５月 宁德师范学院学报（自然科学版）
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｉｎｇｄｅ Ｎｏｒｍａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｖｏｌ＿２５Ｎｏ．２ Ｍａｙ２０１３
基于Ａｎｓｙｓ的永磁同步电机温度场分析
颜文悦 ，
（１．福州大学电气工程与自动化学院，福建福州３５０１０８；２．宁德师范学院，物理与电气工程系福建宁德３５２１００）
摘要：利用Ａｎｓｙｓ￣－ｆ限元分析软件对永磁同步电机的平面二维模型进行温度场分析，将分析得到的结果与理 论计算结果进行比较，寻找出一种有效的计算电机温度场的方法． 关键词：永磁同步电机；Ａｎｓｙｓ软件；瞬态热分析；温度场 中图分类号：ＴＭ ３４１ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５—２４８１（２０１３）０２．０１３８．０３
近些年来，由于永磁同步电机在工农业的生产生活中应用越来越广泛，关于永磁同步电机的各类问
题也越来越引起人们的重视．由于电机的应用逐渐广泛，电机的负载逐渐增大，电机运行时的损耗也逐渐
增加，导致电机内部温升也同时增大．而过高的温升容易使得电机部件出现过早老化的现象，所以电机内
部温升是电机设计中必须考虑的参数．因此，电机的发热问题也引起了人们的重视．但是由于电机内部结
构复杂、磁场分布不均匀等因素，使得人们对于电机内部温度场分布的认识大多停留于公式计算出的电
机温升得平均值，而没有具体到电机的温度分布规律．但利用Ａｎｓｙｓ有限元分析软件，可以模拟出电机内
部温度场的分布情况，从而解决这一问题．本文通过Ａｎｓｙｓ软件中的热分析模块，对实际电机温度场进行
二维分析，得出温度分布云图，模拟电机在运行过程中温度场分布隋况．
１电机材料和热参数选取
１．１电机的材料选取
为了便于比较仿真结果和真实电机温度分布情况，本文采用实际电机与仿真结果进行对比，选取的
电机各部分材料如下：定子冲片：硅钢板５０Ｗ４７０；定子线圈：ＱＺ（Ｇ）一２／１５５；永磁体：ＮｄＦｅＢ（３５ＳＨ）；转子
小型永磁同步电机温度场分析中几个关键问题的解决方法
第2卷第3期2009年9月上海电气技术JOURNALOFSHANGHAIELECTRICTECHNOLOGYVol.2No.3Sep.2009
收稿日期作者简介陈远(),男,电力系统与自动化专业本科在读,从事电力系统与自动化研究,y3@63文章编号:1674540X(2009)0305003
小型永磁同步电机温度场分析中
几个关键问题的解决方法
陈远1,樊亚东1,江政1,程程2
(1.武汉大学,武汉430072;2.华中科技大学,武汉430074)
摘要:为优化小型永磁电机的设计,就小型永磁同步电机温度场分析计算中的几个关键问
题)))热源、复合材料的导热系数、散热面的散热系数等的分析和计算提出了解决方法。关键词:永磁电机;温度场;导热系数;传热系数
中图分类号:TM351.014文献标识码:A
SomeWaysofSolvingtheKeyProblemswhenAnalysingtheTemperature
FieldinthePermanentMagnetSynchronousMotor
CHENYuan1,FANYadong1,JIANGZhen1,CHENGcheng2
(1.WuhanUniversity,Wuhan430072,China;
2.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)
Abstract:Inthispaper,solvingmethodsforthemainaspects,suchasthermalsources,theequivalentconductivitycoefficientoftheslot,convectioncoefficientsofsomeimportantsurfaces,of
temperaturefieldofsmallsizepermanentmagnetmotorsareinvestigated.
Maxwell软件—永磁同步电机的分析
Maxwell软件—永磁同步电机
的分析
Ansoft Maxwell 简介
•Ansoft公司的Maxwell 是一个功能强大、结果精
确、易于使用的二维/三维电磁场有限元分析软件。
包括静电场、静磁场、时变电场，时变磁场，涡
流场、瞬态场和温度场计算等，可以用来分析电
机、传感器、变压器、永磁设备、激励器等电磁装置的静态、稳态、瞬态、正常工况和故障工况
的特性。
Ansoft仿真步骤建模
设置材料属性（电导率，介电常数，磁导率等）
设置激励源和边界条件
自适应网格剖分
后处理有限元计算选择求解器类型Create the StatorCreate the RotorCreate the MagnetsCreate the Windings
STATIC ANALYSIS
No Load Study
•Apply Mesh
OperationsApply Torque computationAdd an Analysis SetupTorque value
Full Load Study
Apply Excitations
•1500 A to PhaseA•-750 A to PhaseB•-750 A to PhaseC.Inductance computationAnalyseTorque value
DYNAMIC ANALYSISAssign MovementCreate Quick Report
•The torque value is around 240 N.m. This value is compatible with measurement.•
The peak torque for this motor is about 400 N.mFlux linkage versus TimeInduce Voltage versus Time
直驱螺杆泵用永磁低速伺服系统三维温度场研究
第１５卷第６期
２０１１年６月 电 机 与 控 制 学 报
ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＭＡＣＨＩＮＥＳ ＡＮＤ ＣＯＮＴＲＯＬ Ｖｏ１．１５ Ｎｏ．６
Ｊｕｎｅ ２０１１
直驱螺杆泵用永磁低速伺服系统三维温度场研究
李勇， 姜新通， 赵伟， 徐永向
（哈尔滨工业大学电气工程与自动化学院， ， 刘彦彬， 陆永平
黑龙江哈尔滨１５０００１）
摘要：针对异步电机驱动的传统螺杆泵采油效率较低的问题，设计了直驱式螺杆泵永磁低速伺服
系统。由于速度较低，温升问题是这类电机的关键研究问题之一，为了更好地分析该永磁交流伺服
电机的温度场分布情况，应用三维有限元法进行计算。同时根据电机的轴向对称结构采用简化模
型，缩小了求解区域范围，减少了三维场分析的计算量。最后对样机进行了负载情况下的实验测
试，计算结果与实测结果是一致的，说明该模型能够满足对该类永磁低速力矩电机暂态温度场仿真
计算的要求。该研究成果对这类电机在不同转速时采用何种冷却方式具有一定的参考价值。
关键词：螺杆泵；直驱；永磁同步电动机；温度场；仿真
中图分类号：ＴＭ ３５１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００７—４４９Ｘ（２０１１）０６—００５７—０５
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ３ Ｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ａ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｌｏｗ
ｓｐｅｅｄ ｓｅｒｖｏ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｄ ｉｎ ｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｉｎｇ ｓｃｒｅｗ ｐｕｍｐ
ＬＩ Ｙｏｎｇ， ＪＩＡＮＧ Ｘｉｎ—ｔｏｎｇ，
（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ＺＨＡＯ Ｗｅｉ，ＸＵ Ｙｏｎｇ—ｘｉａｎｇ，
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ＬＩＵ Ｙａｎ—ｂｉｎ，ＬＵ Ｙｏｎｇ—ｐｉｎｇ
Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｏｒ ｌｏｗ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｃｒｅｗ ｐｕｍｐ ｄｒｉｖｅｎ ｂｙ ａｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ，ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ