引言

      在工程實際中電機是一個將電能和機械能互相轉換的裝置，其在運行中不可避免地會產生損耗，這些損耗將轉化成熱能，使得電機的溫度升高。理論研究表明，電機繞組溫度超過絕緣等級最大溫度10℃，其絕緣壽命就會減少一半，可見電機的溫升是影響電機工作的重要性能指標。

1 原理

      雖然電機并不是均質物體，但是其發熱與散熱過程與均質物體相似。在研究電機的發熱和散熱過程中，我們可以假設其為均質物體，在均勻物體的發熱過程中，溫升隨時間變化是指數曲線關系，如圖1所示。

                     

      圖1中橫坐標t代表時間，縱坐標△T代表溫升。電機的發熱也遵循圖1的規律，開始時溫度上升較快，隨著時間的變化，電機溫度增加，周圍介質所吸收的熱量也逐漸增加，直至電機在單位時間內所產生的熱量全部被周圍介質吸收，電機自身的溫度便不再增加，達到穩定狀態。工程實踐中，都希望電機到達溫度不變的時刻早一些，可見，增加電機的散熱能力是降低電機溫升，縮短到達穩態溫度時間的有效途徑之一。

      大多數采用鑄鐵材料作為機殼的電機散熱途徑是熱傳遞和對流換熱，其過程是定子鐵心通過熱傳遞的方式將熱傳遞給機殼，然后在機殼表面及散熱片的作用下通過對流換熱的方式將機殼的熱散發于空氣中。一般鑄鐵機殼上沿軸向設有散熱片，如圖2；也有采用環形散熱片的。

                   

      從鑄造工藝性的角度來說，我們希望鑄鐵機殼散熱片排列的越稀、越矮、越厚，但是從散熱角度來說，要求其排列密一些、高一些、薄一些。由于模具限制，我們很難更改設計完成的機殼，因此，在這之前的設計計算很重要。有限元技術應用發展之前，對于鑄鐵機殼的散熱分析研究主要依靠樣機試驗和經驗來確定，這帶來了很大的不準確性和資源浪費。有限元技術的出現，使得精確分析散熱工況成為可能。下面介紹用帶有較強熱分析功能的有限元分析軟件MARC對鑄鐵機殼進行散熱分析的方法。

      在研究電機散熱問題時，我們關心的是電機在達到熱穩定狀態時的溫度。從圖1的曲線我們可以看出，當電機達到穩定狀態時電機產生的熱量最大，散發于周圍介質的熱量最多。在分析鑄鐵機殼散熱片溫度分布問題時，我們取電機達到熱穩定時散熱片上的溫度分布情況即可，此時通過散熱片的熱流最多，散熱片的散熱作用發揮到最大。

      MARC穩態傳熱問題要求分析的系統靜熱流率為零，即流入系統的熱量加上系統自身產生的熱量等于系統流出的熱量。在穩態熱分析過程中，系統中任一節點溫度不隨時間變化，其能量平衡方程為

                    {K}{T}={Q}

      式中，{K}為傳導矩陣，包含傳熱系數、對流系數及輻射率和形狀函數；{T}為節點溫度向量，包含熱生成的過程。

      電機穩定狀態時溫度場不隨時間變化，滿足穩態熱分析能量平衡方程，符合MARC穩態傳熱問題的要求，因此從理論上來說可以用穩態傳熱分析進行求解。

2 有限元分析

2.1 建立模型

      分析采用如圖2所示的帶有軸向散熱片的電機機殼，該類型在工程實際中被廣泛采用。該類型電機一般通過熱傳遞將定子鐵心的熱量傳遞給機殼和散熱片，再通過機殼和散熱片與空氣之間的對流散熱將熱量傳導給周圍的空氣中。

      在實際設計計算中，由于各片散熱片都存在著大都相同的工作情況，因此我們取一個散熱片在MARC中進行建模分析。所建模型如圖3。

                       

2.2 劃分網格

      利用MARC里的QUAD網格劃分方式對模型進行處理，將其劃分為四節點網格單元。如圖4。

                      

2.3 材料定義

      通過在MATERIAL PROPERTIES中對材料進行定義，一般電機材料為HT250。表1為分析計算所需的HT250材料的物理性能，圖5為在有限元分析中材料熱導率曲線擬合圖。

           

                    

2.4 約束與載荷

      本次分析計算的鑄鐵機殼約束及載荷以實驗數據為準，該機殼電機鐵心溫度、表面溫度及試驗環境溫度見表2。

            

      由于鐵心與機殼內表面接觸，故在進行熱分析的時候可將機殼內表面直接輸入鐵心溫度。機殼外表面溫度及散熱片與空氣之間以對流換熱為主，也有少量輻射散熱，但一般機殼表面溫度不是很高，在實際計算中可以省略輻射散熱的影響，因此可以在機殼外表面和散熱片表面上直接輸入對流載荷的表面傳熱系數及試驗環境溫度。如圖6所示。

                     

3 分析結果

3.1 熱分析

      在MENTAT里對模型進行熱分析。分析結果如圖7所示。

                      

      從分析結果來看，電機散熱片頂部溫度為51.07℃，與實驗值50.7攝氏度基本吻合。證明MARC的分析功能較好的反映了機殼的散熱能力。

3.2 熱流量分析

      圖8為散熱片熱流量分析云圖。

                     

      從分析結果來看，電機散熱片在根部溫度變化最大，相對集中。根據分析結果，我們可以在實際生產中調整散熱片外形尺寸，使散熱片各部分熱流量均勻，溫度變化合理，達到更好地散熱效果。

4 結語

      計算機軟件給工程實踐帶來了極大的方便。本例中，采用了有限元方法對電機機殼進行散熱分析，所得結果符合實際，且過程準確、快捷，這種方法為我們設計鑄鐵機殼散熱片提供了一個理論參考依據，通過該方法我們可以在鑄鐵機殼模具開發前，在滿足鑄造工藝性的前提下使機殼的尺寸更趨于合理，節省研制成本。(轉)