楊 震，丁 濤，郭 媛

(1.武漢科技大學，武漢 430081；2.湖北工程學院，孝感 432000)

0 引 言

異步電機是工農業(yè)生產(chǎn)及國民經(jīng)濟各部門中應用廣泛的一種電機，各類泵、風機、切削機床、礦山機械等都采用異步電機為其提供動力，因此電機的運行狀態(tài)直接關系到設備的穩(wěn)定運作。電機在運行過程中不可避免地出現(xiàn)能量損耗，這些能量損耗會導致電機溫度升高，而溫度的變化是影響電機使用壽命的重要因素，所以電機溫度場的研究對電機的設計和故障分析有著十分重要的作用。

文獻[1-2]都以Y100L-2型電機為研究對象，分別對電機定子三維瞬態(tài)溫度場和電機轉子溫度場及熱應力場進行了仿真研究，得到了一些有用的結論。馬宏忠等[3]基于熱電耦合法，對風力發(fā)電機電刷滑環(huán)系統(tǒng)進行三維溫度場分析，對電刷滑環(huán)系統(tǒng)結構優(yōu)化和安全運行具有指導意義。邰永及其小組成員[4]對感應電機全域三維瞬態(tài)溫度場作了分析，解決了定轉子之間熱交換等問題。李偉力團隊[5]對籠型感應電機定轉子全域溫度場進行研究，針對一種電機溫度場計算提出了新思想，分析了電機溫度場對各相關因素的敏感性，為電機的優(yōu)化設計提供較大幫助。綜上所述，大多數(shù)文獻對大型發(fā)電機和籠型異步電機的溫度場進行了仿真研究，而對于應用廣泛的中小型繞線式異步電機研究較少。

本文以型號為YR132M1-4的繞線式三相異步電機作為研究對象，建立其三維模型，運用ANSYS Workbench軟件，對電機內部溫度場和應力場進行分析，觀察電機整體的溫度和應力分布情況。著重研究了電機的電刷滑環(huán)系統(tǒng)[6]，得出相關結論，為電刷滑環(huán)系統(tǒng)的監(jiān)測和故障診斷提供借鑒。

1 仿真準備

1.1 三維模型的建立

以繞線式三相異步電機為研究對象，查閱相關資料，建立該電機的物理模型如圖1所示。電機的各項參數(shù)如表1所示。

圖1 電機三維模型

1.2 邊界條件的確定

在求解前，需要確定模型邊界條件，主要是內熱源和表面散熱系數(shù)的確定。內熱源是由電機運行過程中的能量損耗產(chǎn)生的，這些損耗都以發(fā)熱的形式展現(xiàn)出來。電機各部分損耗均可根據(jù)相關公式計算，最后施加在有限元模型中求解。而對于表面散熱系數(shù)還沒有準確的計算公式，通過查閱資料，采用經(jīng)驗公式作為計算依據(jù)。表2和表3分別列出了相關計算參數(shù)和材料屬性。

表2 電機各部分散熱系數(shù)

表3 電機材料屬性

在對電機進行溫度場分析前作如下假設：材料各項同性；電機初始溫度均勻，與環(huán)境溫度相同；電機表面對流散熱為自然對流散熱，且環(huán)境溫度不變；忽略電機內的集膚效應。

2 結果及討論

2.1 電機三維瞬態(tài)溫度場分析

利用以上所得數(shù)據(jù)，對電機進行瞬態(tài)溫度場仿真計算，電機起動前各部分與環(huán)境溫度一致，環(huán)境溫度為30 ℃。仿真時間為270 s，不同時間段電機三維瞬態(tài)溫度場云圖如圖2所示。從圖2可以看出，電機開始運轉時，繞組溫度最高，隨后電機各部件溫度緩慢升高，最后溫度最高位置出現(xiàn)在碳刷和集電環(huán)上。整個過程中，溫升最高為77.04 ℃，根據(jù)電機B級絕緣，最高允許溫度為130 ℃，溫升限值為80 ℃，計算結果沒有超過限值，電機在此狀態(tài)下能穩(wěn)定運行。圖3為分別在轉子鐵心、轉子繞組、定子鐵心、定子繞組和碳刷上各選取一個節(jié)點，將不同時間點所對應的溫度繪制成折線圖。從圖3可以看出，電機整體溫度都處于上升趨勢，在t=200 s附近時趨于平穩(wěn)，溫升幅度減小。達到平穩(wěn)后，溫度最高位置出現(xiàn)在碳刷與集電環(huán)接觸區(qū)域，且電機轉子區(qū)域溫度要高于定子區(qū)域，繞組溫度也略高于其鐵心溫度[7-9]。碳刷區(qū)域溫升最高，主要是由于碳刷和集電環(huán)摩擦產(chǎn)熱；最后溫度趨于平穩(wěn)，是由于在溫度達到一定值時，碳刷表面形成了一層均勻、適度、穩(wěn)定的氧化膜，由于氧化膜的存在，減少了摩擦，降低了磨損，故溫度沒有繼續(xù)升高。由于通風散熱的影響，所以電機內部轉子區(qū)域溫度要高于定子區(qū)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

圖3 不同時間點溫度折線圖

2.2 電機應力場仿真研究

由于電機的應用領域廣泛，所處的環(huán)境比較復雜，使得電機內外表面存在巨大的溫差，而產(chǎn)生很大的熱應力，容易影響電機的使用壽命。因此，對于工作環(huán)境比較復雜的電機，往往需要對其機械應力場和熱應力場進行分析，以確定溫度變化時電機各部件材料是否滿足要求。圖4為對模型進行結構分析，得出的總形變和等效應力云圖。從圖4可以看出，如果不考慮溫度變化的影響，電機運轉過程中由于只受到彈簧壓片對刷握的壓力，形變較小，幾乎可以忽略不計，電機所受應力也非常小。將前面得到的溫度場結果作為體載荷施加到結構中，采用間接耦合法，得出電機熱-結構耦合分析結果云圖，如圖5所示。對比圖4和圖5可知，熱應力場的數(shù)值遠遠大于機械應力場，在電機運轉過程中，電刷的刷握處出現(xiàn)較明顯的應力集中現(xiàn)象，易導致材料變形，從而導致電刷系統(tǒng)破壞和失效[10-11]。為避免出現(xiàn)這種現(xiàn)象，在選擇部件材料時要保證材料的彈性形變要小，撓度要符合要求，以保證電機的穩(wěn)定運行。

(a) 總形變

(b) 等效應力

(a) 總形變

(b) 等效應力

電機在實際運行中，碳刷個數(shù)較多，流經(jīng)每個碳刷的電流大小也不一樣，部分碳刷可能會出現(xiàn)電流過高情況，從而導致碳刷發(fā)熱起火，影響電機的穩(wěn)定運行。因此，電流密度的分析計算對電刷系統(tǒng)尤為重要。圖6為簡化的電刷系統(tǒng)電流密度矢量圖。從圖6中可以看出，電流密度最大值位于導電桿上；銅環(huán)的電流密度最大值出現(xiàn)在碳刷和導電桿周向距離較近的部分，且由于銅環(huán)在不停地旋轉，其電流密度周期性變化，與電機旋轉頻率同步。因此，要經(jīng)常對電刷系統(tǒng)進行檢測，及時發(fā)現(xiàn)問題，定期更換碳刷，以維持設備的正常運作。

圖6 電刷電流密度矢量云圖

2.3 電機轉子模態(tài)分析

電機在運轉過程中，不可避免會發(fā)生振動，易引起共振，從而產(chǎn)生很大的噪聲，對設備的穩(wěn)定運行也產(chǎn)生影響。為了提高電機的安全性能，需對設備進行動態(tài)分析，實際中一般采用模態(tài)分析的方法。將電機模型導入Workbench中進行模態(tài)分析，取擴展模態(tài)為7階，各階振動振型如圖7所示。從圖7看出，各階模態(tài)的形變均呈現(xiàn)對稱分布特性，2階～5階模態(tài)主要是電機主軸受扭轉形變，形變相對較小。6階、7階模態(tài)則主要是彈簧壓片形變，且形變遠遠超出了實際值，導致彈簧壓片與碳刷接觸不緊密，產(chǎn)生振動噪聲，進而引起碳刷與集電環(huán)之間壓力不均勻，導致碳刷與集電環(huán)接觸不緊密，通過各個碳刷的電流密度分布也不均勻，易產(chǎn)生發(fā)熱和起火等現(xiàn)象。圖8為電機各階固有頻率。為了避免上述情況的發(fā)生，可通過改變電刷結構或改變材料參數(shù)等方式來改變電機的固有頻率，避免發(fā)生共振，從而達到降噪的目的。

(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

圖8 電機各階固有頻率

3 結 語

本文以YR132M1-4型電機為研究對象，對其建立了三維導熱模型，利用有限元法進行了溫度場和熱應力場的仿真求解，并以此為基礎，對電刷滑環(huán)系統(tǒng)做了進一步研究，研究結果表明：

1) 電機各部件在開始運行的一段時間內溫度升高很快，隨后一段時間內溫度上升漸緩，最后直至穩(wěn)定。最高溫升位置出現(xiàn)在碳刷與集電環(huán)接觸區(qū)域，且電機內部轉子區(qū)域整體溫度高于定子區(qū)域，繞組溫度略高于其鐵心溫度。

2) 電機運轉過程中，電刷系統(tǒng)出現(xiàn)應力集中、部分碳刷電流密度過大、彈簧壓片壓力不均勻等現(xiàn)象，可通過改變電刷系統(tǒng)材料參數(shù)和優(yōu)化結構等方式來提高電刷系統(tǒng)的性能。

3) 對電機和電刷系統(tǒng)所做的仿真分析，為電刷滑環(huán)系統(tǒng)的監(jiān)測和故障診斷提供了理論依據(jù)，與實際各類電機電刷系統(tǒng)發(fā)熱機理相似。