鼠籠型異步電機斷相故障溫度場的數(shù)值分析與計算

于明星，焦志剛，辛大志

(1.朝陽師范高等?？茖W校 信息工程系，遼寧 朝陽 122000；2.沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 110159)

鼠籠型異步電機斷相故障溫度場的數(shù)值分析與計算

于明星1，焦志剛2，辛大志1

(1.朝陽師范高等?？茖W校 信息工程系，遼寧 朝陽 122000；2.沈陽理工大學 裝備工程學院，沈陽 110159)

斷相故障是異步電機損壞的主要原因之一。斷相后電機轉子導條和定子繞組溫度升高，影響電機的壽命。對電機溫度場模型做合理的假設，定義溫度場邊界條件，給出異步電機主要熱源的計算公式，建立定子繞組等效熱模型，求取電機各部分的散熱系數(shù)，從而解決全模型的熱交換問題。建立鼠籠型異步電機的三維實體模型、斷相工況模型，計算額定運行和入線端斷相后的穩(wěn)態(tài)溫度場分布情況。分析斷相后各相繞組的溫度變化情況，為從溫度場的變化情況診斷電機故障問題提供理論依據(jù)。

感應電機；數(shù)值計算；熱交換；三維；溫度場

異步電動機總容量占我國總發(fā)電量的52%～60%，是工農業(yè)生產生活中應用最廣泛的電動機[1]，其可靠性決定著我國經濟的發(fā)展狀況。三相異步電機在運行過程中，缺少一根火線，就稱為斷相。斷相故障是導致電機損壞的主要原因之一，占電機定子繞組故障的半數(shù)以上。缺相運行時，振動增大，伴有異常響聲，定子繞組溫度升高。同時，定子的旋轉磁場不平衡，定子產生負序電流，負序磁場和轉子產生感應電勢，使轉子電流迅速增加，轉子發(fā)熱。由于磁場的不均勻分布，導致電機振動增大，破壞軸承和機座。所以分析三相異步電機斷相運行的溫度場，能夠有效的減少事故發(fā)生。保證設備正常有序的運行。

近些年來，國內外學者對電機的溫度場做了一系列的研究。文獻[2]提出一種空氣冷卻異步電機的三維耦合場有限元分析溫升預測方法。M.Farahani對電機絕緣部分進行熱分析實驗，分析絕緣老化過程中介電性能的變化情況[3]。謝穎等對異步電機轉子導條斷條及相關的主要影響因素進行了溫度場計算分析[4-6]。Aderiano M.da Silva提出一種匝間短路和轉子斷相故障的診斷方法[7]。J.Penman提出一種異步電機定子繞組匝間短路故障的檢測方法[8]。Ogbonnaya I.Okoro對7.5kW感應電機額定運行狀態(tài)進行了穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)的熱分析[9]。Austin H.Bonnett分析感應電機的定子和轉子故障的各種原因[10]。J.T.Boys等提出一種經驗估計熱模型，該模型能夠估計變頻器驅動籠式感應電機定子和轉子導體的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)溫度[11]。文獻[12]通過RTM代碼生成技術建立了無刷直流電機的調速系統(tǒng)，為電機的嵌入式開發(fā)提供了思路。

本文在前人工作的基礎上，提出了溫度場的假設條件，對電機溫度場的求解域和邊界條件進行定義，給出主要熱源的計算公式，對定子繞組的絕緣部分進行等效，計算等效熱模型的導熱系數(shù)，建立斷相工況的模型。分析斷相運行對電機溫度場的影響。

1 熱源的分析基礎

1.1 模型假設

在鼠籠型異步電機溫度場求解過程，為了簡化計算過程，作出如下假設：1)忽略溫度對材料電導率的影響；2)不考慮定子鐵心的渦流，軸承的摩擦損耗和冷卻介質的通風損耗；3)不計鐵心和繞組的附加損耗；4)鐵磁材料均默認為各向同性。

求解域的溫度場滿足邊界條件

=-q(x,y,z)

(1)

式中：Ω為求解區(qū)域；T為物體溫度；Ts為環(huán)境溫度；λx、λy、λz為各方向導熱系數(shù)；q為熱源密度；n′為邊界法矢量；α為散熱系數(shù)，S1為接觸傳熱面。

1.2 異步電機的熱源

電機是一種機電能量轉換機構，在機電能量轉換過程中會產生損耗，電機的熱源就是電機產生損耗的部位，電機的主要損耗包括鐵心損耗，繞組損耗和機械損耗。這些損耗將產生的能量傳遞給電機本體和周圍的環(huán)境，最終溫度會達到一個穩(wěn)定值。損耗的計算就顯得尤為重要。

在交變磁場作用下，建立Bertotti模型[13]，定子鐵心損耗為

PFe=khfBpxh+kcf2Bp2+kef1.5Bp1.5

(2)

式中：Bp為磁通密度幅值；f為頻率；kh、xh為磁滯損耗系數(shù)；kc為經典渦流損耗系數(shù)；ke為異常損耗系數(shù)。

轉子銅導條的損耗[14]為

(3)

式中：lh為導條的長度；s為轉差率；σ′為導條電導率；Eall為單元總數(shù)；Jze為各單元的感應電密；Δe為各單元的面積。

實心轉子的渦流損耗為

(4)

式中，δ為硅鋼片厚度，ρ為鐵心的密度。

定子繞組銅耗為

(5)

式中，Iphase為定子某相的相電流，Rphase為定子某相的相電阻。

1.3 異步電機全模型的熱交換

電機中損耗的能量轉換為熱量后，通過熱傳導、熱對流的方式傳遞到周圍介質中。傅里葉熱傳導基本定律

q=-λ0(1+βλT)gradT

(6)

式中：λ0為熱源0℃時的熱導率；T為熱源的溫度；βλ為熱傳導溫度系數(shù)。

熱交換方程式

dP=α(T-T0)Sdt

(7)

式中：dP是在dt時間內以對流散出的熱量；T0為周圍介質的溫度；S為散熱面的面積；α為對流散熱系數(shù)。

2 熱計算的理論分析

定子繞組與定子槽之間有槽絕緣和侵漆層絕緣，較難確定導熱系數(shù)。為了確定等效導熱系數(shù)，作出假設：1)定子槽內為無氣體存在，完全侵漆；2)槽絕緣與定子槽結合緊密。對多層平面壁，穩(wěn)定工況下各層熱流相等[15]，那么

(8)

定子外表面散熱系數(shù)[16]

(9)

式中vs為流過定子外表面的風速。

定子鐵心端面散熱系數(shù)

(10)

式中vr為轉子表面線速度。

轉子表面和定子內圓表面與氣隙的散熱系數(shù)[17]

(11)

定、轉子繞組端部的散熱系數(shù)

(12)

散熱系數(shù)計算結果如表(1)所示，單位均為W/m2·K。其中vs取2m/s；vr為10.61m/s；n取三層；第一層侵漆紙層，第二層聚酯漆包線層，第三層侵漆玻璃絲帶層。

表1 散熱系數(shù)計算結果

3 三維溫度場的結果與分析

運行環(huán)境Windows 7 旗艦版64位操作系統(tǒng)，內存4.00GB，處理器Intel Core i5-3470 3.5GHz 版本號Ansys Workbench 15.0 分析系統(tǒng)Steady-State Thermal 本文以Y2-132M-4型7.5kW強迫制冷式電機尺寸為基準進行設計，電機的尺寸如表2所示。

表2 電機的相關尺寸參數(shù) mm

繪制異步電機的三維有限元模型，網格劃分如圖1所示。將氣隙、絕緣層、定子繞組端部等關鍵部位劃分細些。劃分后的節(jié)點數(shù)575529個，單元數(shù)127602個。

圖1 異步電機網格劃分圖

搭建外部控制電路，定子繞組采用三角形接法，通入三相正弦交流電，利用狀態(tài)機控制開關，在預定時刻使A相電源入線端斷相，模擬實際斷相工況。額定運行及斷相運行溫度場分布如圖2、圖3所示。為準確分析電機的溫度分布將電機沿軸向中心截面做切割。

圖2 額定運行穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖

圖3 斷相運行穩(wěn)態(tài)溫度分布云圖

電機溫度沿徑向垂直截面是對稱分布的，取電機徑向垂直中心截面的一半來分析溫度場?，F(xiàn)作如下定義，豎直向下的方向為初始0°，豎直向上的方向為180°，順時針旋轉的方向為角度變化方向。

從計算結果可以看出，轉子的溫度最高，溫度最高點出現(xiàn)在軸向中心截面與轉軸上接觸面的位置，轉子導條和轉子鐵心的溫度較接近，定子繞組的溫度比定子鐵心的溫度要高，電機的外殼溫度最低，外殼的外表面接線盒位置無散熱翅，散熱性較差溫度較高，離接線盒較近的區(qū)域散熱性均不好。

圖4是額定運行狀態(tài)定子鐵心內圓溫度與轉子鐵心外圓溫度的溫度分布圖。

圖4 額定運行鐵心沿半圓周溫度變化曲線

由圖4可知，轉子鐵心外圓沿圓周方向溫度變化較小，這是由于轉子的材料導熱性好，最高溫度為109.26℃，最低溫度點為106.92℃。定子鐵心內圓溫度沿圓周方向變化較大，最高溫度為89.31℃，最低溫度為78.73℃。這是因為電機頂部是接線盒，沒有散熱翅，定子鐵心散熱性較差。而轉子鐵心離無散熱翅位置較遠，且有氣隙和絕緣層的影響，溫度變化不明顯。

圖5給出了額定運行時定子繞組和轉子導條沿半圓周溫度分布情況。

圖5 額定運行繞組和導條沿半圓周溫度變化曲線

轉子導條的溫度差別不大，最大值為111.12℃，最小值為109.59℃。定子繞組的平均溫度變化明顯，最小值是91.93℃，最大值是101.81℃。由于定子繞組通過等效絕緣層與機殼傳熱，受散熱翅的影響較大。

圖6為斷相運行時定子鐵心內圓和轉子鐵心外圓沿半圓周溫度變化情況。

圖6 斷相運行鐵心沿半圓周溫度變化曲線

由圖6可以看出，斷相后轉子鐵心的溫度升高，整體變化幅度仍不明顯，最低值為139.59℃，最高值為143.02。定子鐵心的溫度變大，最大溫度達到104.51℃，最小溫度達到88.92℃。轉子鐵心的溫度已經超過B級絕緣的溫度允許值。

圖7為斷相運行定子繞組平均溫度和轉子導條內圓溫度的變化曲線。

圖7 斷相運行繞組和導條沿半圓周溫度變化曲線

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，斷相后轉子導條的溫度變化較大。最高溫度是145.59℃，最低溫度是142.52℃。定子繞組的溫度變化程度呈不規(guī)則性，同屬B相繞組的線圈組溫度較高，A相和C相的線圈組溫度較低。最高溫度值已是120.61℃，最低溫度是68.59℃。電機角度為100°時，額定運行的定子繞組溫度是95.36℃，而斷相運行的定子繞組溫度降為68.59℃。這是因為斷相后A相和C相繞組電流降為原來的0.58，導致銅耗降低的原因。B相繞組的相電流變?yōu)樵瓉淼?.15倍，使B相繞組的銅耗升高。

4 結論

通過對7.5kW三角形接法鼠籠型異步電機額定運行和電源入線端斷相后的穩(wěn)態(tài)溫度場的計算和分析，得出如下結論：

(1)電機額定運行和斷相運行達到穩(wěn)態(tài)后，電機的轉子和導條溫度最高，轉子沿圓周方向溫度變化程度較小，定子鐵心溫度要低于轉子鐵心溫度，定子繞組溫度低于轉子導條溫度。

(2)散熱翅對電機的定子鐵心和定子繞組的溫度分布影響較大，無散熱翅附近的散熱性能較差，溫度較高。

(3)A相電源入線端斷相后，B相繞組的銅耗將升高到原來的1.32倍，A相、C相繞組的銅耗降為原來的0.34倍。轉子導條和B相定子繞組溫度均超過溫升允許極限值，為不同接法的電機和不同種類的電機斷相運行的溫度場分析提供思路。

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(責任編輯：王子君)

NumericalAnalysisandCalculationoftheTemperatureFieldofSquirrel-cageInductionMotorwithOpenPhaseFaults

YU Mingxing1,JIAO Zhigang2,XIN Dazhi1

(1.Chaoyang Teachers College,Chaoyang 122000,China；2.Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China)

Open phase fault is one of major causes for asynchronous motor damage.After loss of phase,rotor bars and stator windings of motor are subjected to increased temperature,which influences the serving life of motor.Reasonable assumption of temperature field model is made and boundary condition of temperature field is defined,Computational formula of main heat resource of asynchronous motor is proposed，which builts equivalent thermal model of stator winding,calculates heat transfer coefficient of each part of motor,and solves full-model heat transfer problems.In addition,3D entity model and phase-loss condition model of squirrel-cage type asynchronous motor are established,which calculates static temperature field distributions upon rated operating condition or phase loss at inlet end,respectively.Temperature variations of all windings after phase loss are analyzed,which provides theoretical basis for motor fault diagnosis according to temperature field variations.Keywordsinduction motor;numerical calculation;heat transfer;three-dimensional；temperature field

2016-05-06

于明星(1987—),男，講師，研究方向：電機電磁場和溫度場分析。

1003-1251(2017)04-0028-05

TM307

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