Electromagn etic Analys
is and Applications电磁分析与应用, 2013, 2, 1-5
http://dx.doi.org/10.12677/eaa.2013.21001
Published Online January 2013 (//www.abtbus.com/journal/eaa.html)
Temperature Field Analysis of Household Permanent Magnet
Synchronous Motor Based on ANSYS
Bingyi Zhang
1, Jian Jiao
1, Guihong Feng
1
, Hui Wa n g2
1
Shenyang University of Technology, Shenyang
2
TBEA Shenyang Transformer Group Co., Ltd., Shenyang
Email: 420898062@qq.com
Received: Dec. 12
th
, 2012; revised: Dec. 20th, 2012; accepted: Dec. 30th, 2012
Abstract:
Utilizing ASNSY software, we can build models of permanent magnet motor in steady state operation ac-
cording to the theory of heat transf er. With hou sehold 1 kw air-cooled per manent mag net synchronous motor as an ex-
ample, through finite element method to calculate the steady temperature field and electromagnetic loss of the motor.
For the load steady state temperature rise experiment of the motor, the simulation results and experimental results are
basically the same, which accoun t for that method adopted for the motor design and analysis in th e motor thermal field
analysis is of certain valuable fo r engineering application .
Keywords:
Permanent Magnet Motor; Temperature Field; Electromagnetic Loss
基于
ANSYS
的家电用永磁同步电动机温度场分析
张炳义
1，矫
键1
，冯桂宏1，王
晖2
1
沈阳工业大学，沈阳
2
特变电工沈阳变压器集团有限公司，沈阳
Email: 420898062@qq.com
收稿日期：
2012
年12月12日；修回日期：
2012
年12月20日；录用日期：
2012
年12月30日
摘
要：本文根据传热学理论利用
ANSYS软件建立了永磁同步电机稳态运行条件下温度场的计算模型，并以
某家电用
1 kw
空气自冷永磁同步电动机为例应用有限元法计算了电磁损耗及稳态温度场分布情况。对电机进行
负载稳态温升实验，仿真结果和实验结果基本一致，说明本文在电机热场分析中采取的方法对于电机设计和热
分析具有一定的工程应用价值，同时证明所设计的电机安全合理。
关键词：
永磁电机；温度场；电磁损耗
1.
引言
永磁同步电机相对其他电机具有运行可靠，结构
相对简单，运行效率高等诸多优势，近年来，正逐渐
应用于家电领域。家电用永磁电机要求降低制造成
本，减小电机体积，功率密度高，随之而来的温升问
题成为影响家用永磁电机安全使用的重要因素。温升
过高会影响其运行性能，使耐热能力薄弱的绝缘材料
寿命缩短。所以，在电机设计和分析中了解其发热情
况，准确地计算电机温度场分布问题具有实际意义。
对电机温升的研究已经取得一定的成果，可采用
等效热网络法计算永磁电机温升
[1,2]，传统电机经验公
式法亦可估算温度
[3,4]
，或将热路法应用于电机内部热
交换和冷却空气流动的分析
[5]
。然而，由于电机结构
散热条件等复杂因素给温度的计算带来一定的困难，
而传统温升研究大多针对特殊工况应用，如机床用直
流无刷电机温升研究
[6,7]
，大型电机定子绕组温度[8,9]，
对家用小型永磁同步电机涉及较少，对温度场的分析
多数仅从整体考虑，计算结果为平均值，不能准确形
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1
基于
ANSYS
的家电用永磁同步电动机温度场分析
象的反应电机内部温度分布情况。
本文在前人工作基础上，针对小型家用永磁同步
电机，利用
ANSYS
有限元法研究电机温度场，通过
其后处理来仿真计算稳态温升，借助仿真云图更加形
象准确地了解电机的温度情况。
2.
电机热源与散热源
热力学中的热量传递主要有三种形式：导热、对
流和辐射。永磁电机的热源通常很复杂，本文针对的
某家电用
1 kw
永磁同步电动机采用自然冷却方式的
情况，电机系统温升较小，温度较低，辐射散失的热
量较小，故不考虑辐射；其散热途径主要是通过电机
外壳的自然对流换热来实现，另外定、转子之间通过
气隙空气的强制对流交换热量。将电机的主要热源设
定为电机定子绕组，定子铁耗。
2.1.
电机内部热传递
传热是由于温差引起的能量转移。热传导方程建
立在热传导定律和能量守恒原理的基础上，近代研究
电机的温度计算以稳态运行为主。稳定状态下，由傅
里叶方程推导的电机温度分布的时间函数
,,
Txyz
方程如下
222
222
TTT
xyz
vp
T
qpc o
t
(1)
稳态导热方程建立物体温度与空间的关系，依据
特定存在的边界条件，可求出满足实际工程边界的特
解，对实际工程产生现实指导意义。
2.2.
定子各部分损耗计算
定子绕组通常是电机的主要热源，采用比较符合
实际的电枢绕组时变热源加载方式，以及引入由肌肤
效应与股线间环流所导致的附加热源的影响，经计算
设定定子绕组平均生热率为
530,000 w/m3
。计算各部
位损耗对应的单位生热率。对于定子来说，轭部和绕
组的发热强度是不同的，其生热率为
e
WPV
(2)
式中，
W
为生热率
(w/m3)；Pe为热源损耗值，V为热
源体积
(m3)
。
进行铁耗与转子涡流损耗分析。电机工作时，定
子铁芯中的磁通密度是非正弦、非线性的，并且各处
磁密不同，而铁耗又与磁密幅值呈非线性关系，对于
此类饱和铁耗的分析计算是比较困难的。本文由
ANSOFT
有限元电磁场仿真软件计算，对定子铁芯材
料设置电导率，输入
B-P
铁损曲线等。
建立永磁电机模型之后，对永磁体设置电导率、
(set eddy effects)
、(
零电流)
，求解(solid loss)
的方法来
求解涡流损耗。
2.3.
导热系数的确定
由于永磁电机内部结构复杂，在计算稳态温度场
时要先进行电机各部件传热煤质导热系数的赋值，导
热系数的确定见表
1
。需要注意的是，导热系数还与
材料的温度有关，因此在实际应用时还是根据实验资
料较为可靠，并根据导热系数与温度的关系曲线加以
修正。
2.4.
散热系数计算
进行电机温度场计算时，涉及到定子表面的散热
系数等边界条件。定子机壳转子表面的散热系数为
4
10.25
*10
450
n
n
V
2
22 w/mK
(3)
式中：
Vn为强制风冷气体介质的流速，自然冷却时
。
定子内圆散热系数较难计算，实用公式为
0.5
28 1
(4)
其中
表面传热系数
[w/(m2·K)]，ωδ为气隙平均风
速，取
2
0.5U
，
U2为转子圆周速度。
2.5.
基本假设
为了方便有限元计算和
ANSYS
温度场的分析，
永磁低速力矩电机求解域的基本假设如下：
Table 1. Thermal conductivities of motor materials
表
1.电机各部分材料导热系数
部件名称
材料名称
导热系数
铁芯叠片
DW315 40
绕组
铜线
380
永磁体
钕铁硼
0.15
机壳
铝合金
160
轴
不锈钢
17
气隙
空气
0.025
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2
基于
ANSYS
的家电用永磁同步电动机温度场分析
1)
在稳态中不考虑瞬态温度影响；
2)
忽略端部绕组的发热产生传导的影响，同时将
整个整体机壳和气隙作为散热源；
3)
忽略轴部的热量散失和槽内气隙的影响；
4)
由于轴向无风冷系统，将气隙温度传播方式处
理为热传导。
3.
基于
ANSYS永磁电机温度场仿真
根据上述分析，本文对一台
1 kw
家电用永磁同
步电动机进行了计算，分析流程如图
1
所示。
3.1.
永磁电机模型建立
如图
2
和3所示，在ANSYS的steady-state-thermal
模块中绘制电机定转子三维模型。
3.2.
载荷添加
借助电机电磁场仿真计算，确定各发热源的损耗
值。利用公式
(2)
、(3)确定散热系数，结合电机材料的
相关物理属性，即可对永磁电机的温度场模型进行剖
分
(
图4)
和加载求解(图5)。
Figure 1. Thermal analysis flow chart
图
1.热分析流程图
Figure 2. Three-dimensional model of motor
图
2.电机三维模型
Figure 3. Three-dimensional model of rotor
图
3.转子三维图
Figure 4. Motor division figure
图
4.电机剖分图
Figure 5. Motor heat load
图
5.定子热源加载
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基于
ANSYS
的家电用永磁同步电动机温度场分析
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4.
电磁仿真结果
本文针对
1 kw
家电用永磁电机温度场进行研究。
采用有限元法计算分析定子铁耗结果，见图
6
，经过
公式
(2)
折算，定子铁芯生热率为20,000 w/m3。永磁
电机转子涡流损耗仿真计算得永磁体损耗有效值为
14 w
，生热率为
50,000 w/m3，见图7
。
添加仿真折算所得生热率和散热率，利用
ANSYS
后处理模块得稳态温度场仿真结果如图
8
和9所示。
5.
电机温升实验
图
10
为洗衣机用永磁电机样机，取代原有驱动
系统，利用变频设备和测温仪进行电机温升实验。
Figure 8. Temperature distribution of stator
图
8.定子温度场云图
电机样机施加额定负载，进行温升测量实验，测
量电机表面，定子绕组等部位温度，得到表
2数据和
图
11
温升曲线。实验表明定子最高温度为定子线圈
绕组，电机温度运行
60
分钟以后温度稳定为60℃左
右，转子温升较低。这是因为绕组绝缘及绝缘介质的
导热系数很小，而线圈绕组为本样机定子主要的电磁
损耗发热源。通过对比，电机内部各部位温度分布规
律与仿真结果趋势基本一致。考虑到家电用永磁电机
每次使用时间较短，本实验所测时间范围内的电机稳
态温升可满足用户正常安全使用。
0
5
10
15
20
25
015 3565 90120135150
w
Figure 9. Temperature distribution of rotor
图
9.转子温度场云图
165 180
ms
铁耗
Figure 6. Curve: stator iron loss
图
6.定子铁耗曲线
Figure 7. Curve: rotor eddy loss
Figure 10. Household permanent magnet motor prototype
图
7.转子涡流损耗曲线图10.家用永磁电机样机
4
基于
ANSYS
的家电用永磁同步电动机温度场分析
Table 2. Data of experimental and calculated temperature
表
2.电机温度实测值与计算值
区域名称
实测平均温度
/℃
计算温度
/℃
机壳
47 52
定子绕组
59 61
永磁体
38 32
转轴
33 28
Figure 11. Curve: temperature of stator winding
图
11.
电机绕组温升测量曲线
6.
结论
利用本文方法研究家电用
1 kw
永磁同步电动机
温升，其温度场仿真与实测结果基本吻合，说明该方
法能够满足对永磁同步电动机设计时稳态温度的预
测要求。所设计的空气自冷却永磁同步电动机温升在
安全合理范围。应用有限元法分析电机电磁性能并得
到电机的内部各区域温升云图，验证了电机设计的合
理性及可靠性。这为今后永磁电动机电磁分析和电机
温升的研究提供了基础。
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