22、电机有限元分析与热分析

电机有限元分析与热分析

1. 电机电路参数的有限元计算

在计算感应电机的电路参数时，可以采用有限元方法（FEM）。具体如下：
- 磁静模型 ：用于确定磁化电感和定子槽漏感。
- 交流模型 ：用于确定转子槽漏感和皮肤效应系数，类似的交流模型也可用于找出定子绕组中的皮肤效应。

需要注意的是，电路参数并非恒定不变。磁化电感取决于磁化电流，而导条电阻和转子漏感则取决于转子（转差）频率。一个详尽的感应电机有限元模型应考虑定子绕组和转子导条与外部电路的连接，还可以计算机械稳态下转矩与位置的关系，不过计算转矩脉动和径向力时，计算量会大幅增加。许多应用仅需要电路参数或关键性能指标，这些也可通过磁静和稳态交流模拟简单计算得出。

2. 电机热分析的重要性

电机的热分析至关重要，因为绕组温度超过绝缘等级允许的最大值会缩短电机的使用寿命。根据阿伦尼乌斯方程，温度每超过允许值10摄氏度，电机寿命将呈指数级下降，每10度的超温对应一个半衰期常数。绝缘等级规定的绝缘寿命为25000小时，若电机每天24小时、每年365天满负荷运行且绕组达到允许的最高温度，其使用寿命不到4年。反之，降低最高温度则可延长电机寿命，例如降低20度可使寿命延长至原来的4倍，达到100000小时。

电机温度的变化还会改变电机的性能。例如，对于感应电机，温度从20°C升高到150°C时，一台3kW、4极电机的启动转矩会从约64.7Nm降至54.2Nm，临界转差也会显著减小。永磁电机的气隙磁通密度在温度大范围变化（50°C至150°C）时会显著降低，导致额定转矩下降（如从约6.1Nm降至5Nm，降幅达1