李立毅，郭楊洋，曹繼偉，嚴柏平

(哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001)

高速高功率密度風洞電機磁—熱特性的研究

李立毅，郭楊洋，曹繼偉，嚴柏平

(哈爾濱工業(yè)大學 電氣工程及自動化學院，黑龍江哈爾濱 150001)

基于新階段風洞測試系統(tǒng)的對高速電機體積小、質量輕的指標要求，研制一種高速高功率密度永磁同步電機。提出采用極限電磁場—溫度場綜合分析的方法，實現永磁同步電機高功率密度下的高轉矩性能。極限電磁場—溫度場綜合分析方法是利用有限元軟件分析電機的電磁性能和損耗特性，在此基礎上進行高功率密度電機的熱負荷分析，在考慮溫度分布的情況下，充分利用電機定轉子各個部件所承受的極限溫度，使電機達到一種極致使用的狀態(tài)。在分析設計的基礎上，制造一臺樣機并進行相關實驗研究，利用電渦流測功機和溫度傳感器測量電機在額定狀態(tài)下的機械特性及溫度，對比試驗和仿真結果驗證了該設計方法的準確性。

高速;高功率;永磁電機;實驗研究

0 引言

風洞是進行空氣動力學實驗的一項基本設備。所謂風洞，是指在特殊管道內，用動力設備驅動一股速度可控的氣流，用以進行空氣動力實驗的一種設備。飛行器運行時其發(fā)動機的轉速較高，通常轉速要高于10 000 r/min，且采用航空燃油的渦扇式發(fā)動機具有普通電機難以擁有的功率密度和轉矩密度，但是其本身的體積尺寸較大。而在進行飛行器風洞試驗中，不能針對實際的飛行器進行試驗，通常使用小尺寸的飛行器模型進行。由于風洞尺寸有限，模擬的飛行器一般都為小體積結構，而小體積結構能夠攜帶的作用動力系統(tǒng)的電機就要求其具有體積小、質量輕、高轉速和高轉矩密度的特

點[1-3]。

隨著人們對飛行器性能越來越高的要求，模擬實驗中飛行器動力裝置—風洞電機的功率密度成為制約其試驗能力的瓶頸因素[4-5]。國內外許多研究團隊對高功率密度電機進行了廣泛地研究[6-8]，在國際上永磁同步電機的功率密度能夠達到0.8～1kW/kg[9]；而國內的西安微電機研究所也做了大量工作，永磁電機的功率密度也能夠達到1kW/kg左右[10-12]。本文針對高性能風洞電機的要求，研制了一種功率密度更高，且兼具高功率因數的永磁同步電機，并研究了電機的磁—熱特性，在提高電機功率密度的同時，提高電機的運行成本。

1 電機設計

1.1 電機基本尺寸設計

為滿足風洞環(huán)境及高性能工況的輸出，對電機的性能指標及尺寸結構等提出了更高的要求，小體積中高功率輸出一直是風洞用電機研究的熱點及難點。而實現高功率密度的途徑是采用合理的極限電磁負荷配比實現電機的高過載特性。根據實際風洞環(huán)境需求得到的的電機設計指標，在規(guī)定體積Φ85mm×160mm下內完成轉速為16 000 r/min，轉矩為7 N·m，額定功率為12 kW的設計方案，其額定電壓為線電壓380 V，額定電流為25 A。

對于這種對體積要求比較嚴格的電機，可通過減小端部長度以達到最大利用鐵心長度的目的。因此在電機的設計過程中，定子的繞組采用集中分數槽繞組的設計方法，之后，在分數槽集中繞組的情況下，4極和6極永磁體為可選擇的較好的極數配合（10極方案由于極數太多，頻率太高而不采用；而且8極9槽電機具有單邊的磁拉力，將降低主軸的使用壽命）。通過對4極6槽和6極9槽的電機進行2D仿真可知，4極6槽的電機定子軛部較大且轉矩波動的效果不理想，因此，本文電機選用6極9槽的方案進行設計，所設計的電機鐵心外徑為74.5 mm，以保證水冷套的安裝尺寸；定子電樞繞組采用高溫等級的銅線，耐溫可達220?C。轉子勵磁材料仍然采用UH系列釹鐵硼永磁材料，增加轉子磁體的耐溫等級。

1.2 電磁計算

對于高速高功率密度電機而言，在滿足電機性能指標輸出的前提下，額定工況下電機的損耗及溫升特性將是直接決定電機工作效率及可靠性的關鍵，所以電機的電磁損耗計算及相應熱分析將是保證所設計電機可靠運行的關鍵，且電磁損耗的計算將是溫升特性分析的前提[14-15]。在初步選定的電機基本結構參數下，通過對電機電磁特性的仿真計算，以校核電機的輸出特性及設計的可行性。在此，通過Flux2D進行有限元建模分析，可計算得到電機的轉矩、反電動勢特性以及電機內磁場的分布，圖1為所建立的電機模型。

圖1 電機有限元仿真模型Fig.1 Finite element model of motor

圖2和圖3分別為有限元仿真得到的電機轉矩和反電動勢結果，從圖2可知，當繞組電流為22 A時，電機的平均轉矩為8.3 N·m，滿足風洞對電機性能指標的需求。

從圖3中可知，線反電動勢最大值為472 V；在配套控制器的選擇上，選用母線電壓為500 V（線電壓350 V）的控制器，以保證在一定的繞組電阻的情況下，控制器對電機繞組有10 V左右的電壓控制差。

圖2 電機的轉矩Fig.2 Torque of motor

圖3 電機的反電勢Fig.3 Back emf of motor

電機內的鐵心損耗可通過電機內部各部分的磁密來進行計算，圖4為仿真得到的電機中各部分的磁密分布結果，其中，定子齒部磁密最大值為1.62 T，軛部磁密最大值為1.42 T。

圖4 電機的磁密分布Fig.4 Distributing of magnetic density in motor

通過有限元仿真得到的電機內磁密的數據，采用公式(1)可計算出有限元模型中每一個單元內的鐵耗，即

式中：c1是磁滯損耗系數；c2為渦流損耗系數；c3是附加損耗系數；f為電機鐵心內磁場頻率；Bm為磁密。通過式(1)可計算得到電機定子側鐵耗為350 W。

1.3 熱負荷分析

對于高速高功率電機而言，電機的損耗溫升一直是國內外研究的熱點，在此，本文通過對電機熱負荷的分析來研究電機的溫升特性。通過前文的電磁分析，可計算得到電機定子及轉子的銅耗與鐵耗分別為244 W和350 W。而轉子永磁上的渦流損耗采用全部鐵耗量的1/2進行計算。通過ANSYS建立3D仿真模型進行熱負荷分析，從而研究電機的溫升特性，圖5為根據電機結幾何結構建立的ANSYS仿真模型。

圖5 仿真模型Fig.5 Analysis model of motor

圖5中所展示的ANSYS仿真模型為電機的1/12模型，即沿圓周方向上分析其1/6，在軸向方向上分析其1/2的結構。

考慮銅的溫度系數，表1列舉出了計算得到的電機不同溫度下的銅耗密度。

表1 不同溫度下的銅耗密度Tab.1 Density of copper loss under differ temperature

為保證電機的性能及控制電機內的溫升，在電機的設計過程中采用定子鐵心外表面開水槽的方式來控制電機內的溫升。實際過程中采用水冷卻的方式，在此通過仿真計算，以模擬分析電機實際工作狀態(tài)下的溫升特性，進而對電機的設計進行評價。圖6為電機連續(xù)工作6min后停機5min，以此為一個周期，電機長期連續(xù)工作5個周期（50min）后的溫度場分布。

圖6 第50min時刻溫度場分布云圖Fig.6 Temperature nephogram of motor under 50 minutes current condition

從圖6中可知，電機在連續(xù)運行5個周期后，電機的定子側溫度較高。由于電機定子外殼有水冷結構，其溫度并沒有向轉子側輻射太多。電機轉子側散熱能力較差，只能依靠軸端進行自然散熱或當溫度較定子側高時通過氣隙向定子測散熱，因此，在保證定子側溫度高于轉子側溫度時，這樣的結構形式有利于減小電機轉子側溫度，提高電機的可靠性。從電機內定子鐵心和轉子鐵心溫度的云圖可以清晰看到這一趨勢(如圖7所示)。

圖7 電機內溫度場分布Fig.7 Temperature nephogram in Motor

從圖7定轉子兩部分的溫度分布云圖中可以看出，電機定轉子溫度是鐵心中間溫度高，而兩側溫度低（分析模型采用的是軸向1/2模型），而從圖7(b)轉子溫度場分布圖中可以看出，當轉子永磁體和鐵心發(fā)熱時，整體溫度分布情況是軸向中心位置最高，分別向兩側降低；且其熱量同時向兩側及軸心傳播，但是，轉子端面溫度要高于軸端面溫度，其原因是：一方面轉子為一個統(tǒng)一熱源，其溫度梯度變化沿軸向變化不明顯；其次，軸端面為轉子熱量主要散熱途徑，在電機未達到熱平衡狀態(tài)下，其軸端面溫度要低于轉子溫度。

圖8為5個連續(xù)周期工作狀態(tài)下電機的溫升特性曲線，從圖中可知，在該冷卻條件下電機按照所要求的周期工作制連續(xù)工作50min時，電機內部開始達到熱平衡狀態(tài)。由于水道位于定子鐵心表面上，對定子的冷卻效果比較明顯，而隨著電機工作時間的延長，轉子上的溫升逐漸升高，達到穩(wěn)定溫度的速度也比較慢，在連續(xù)工作50min時，電機轉子依然沒有達到理論上的熱平衡狀態(tài)，但是從總體溫度趨勢和永磁體所采用的高耐溫等級材料上看，電機轉子的溫度趨勢可以滿足電機長效可靠地運行。

圖8 電機的溫升曲線Fig.8 Temperature curves of Motor

2 樣機的研制及實驗研究

根據前文分析得到電機基本參數，試制了高速高功率密度電機，如圖9所示。實際測量電機整機質量為6 kg，功率密度達到2 kW/kg。

測試電機過載能力的最佳方法是利用驅動器和測功機，本文的電機測試是利用Magtrol電渦流2HD30HS測功機進行測試，電機試驗測試系統(tǒng)的測試原理如圖9所示。

圖9 電機實驗測試系統(tǒng)Fig.9 Experimental system of Motor

利用圖9中的測試系統(tǒng)可分別對電機的最高轉速時的轉矩和溫升特性進行系統(tǒng)測試。圖10為電機在16 000 r/min時，電機的轉矩變化曲線，此時電機的輸入電流為22 A。

圖10 電機的轉矩、轉速隨時間變化曲線Fig.10 Torque characteristics of Motor

從測試結果中可以看出，電機的輸出轉矩為7.1N·m。通過與仿真結果相比，兩者與較為一致。圖11為電機轉軸溫升曲線。

圖11 電機的溫升特性Fig.11 Temperature characteristics of Motor

從圖11可以看出，電機轉軸溫度上升較快，在15 min內上升至60?C左右。考慮到電機內部的熱傳導作用，永磁體和轉軸部分最高溫度能夠達到100?C左右，但是考慮到電機采用高溫度曲線的永磁體，電機轉軸溫度處在安全范圍，這個結果也與熱分析計算得到的數據較為接近。

3 結語

本文設計了一款12 kW高速高功率密度永磁同步電機，其功率密度達到2 kW/kg。文章通過Flux有限元軟件對其進行了建模，計算了其電磁特性及損耗；同時將電磁計算得到的定子鐵心磁密值，通過分離鐵耗模型分別計算了每個不同單元的鐵耗，最終得到了較為精確的鐵耗值；再利用Ansys熱分析模型，分析了這種電機的溫度分布情況，驗證了電機運行的可靠性。通過仿真和試驗結果的比較表明，電磁分析計算和熱分析計算的數據精確可靠，具有較高的吻合度。

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(編輯：于雙)

Research on the characteristic of electromagnetic-thermal of high speed and power density wind tunnel motor

LI Li-yi,GUO Yang-yang,CAO Ji-wei,YAN Bai-ping
(School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

Wind tunnel test system requires motor system which has little volume and wieght，so a high speed and power density permanent synchronous motor for wind tunnel test was researched.An ultimate comprehensive analysis method adopting electromagnetic and temperature fi eld FEM was introduced,to make motor system high torque in little volume.The ultimate comprehensive analysis method adopts FEM software to analyze the electromagnetic characteristic and loss characteristic,and then analyzed the thermal load based the data of the electromagnetic FEM.Therefore,this method could adopt the stator and rotor’s component ultimate characteristic,make every reach the ultimate temperature.And the motor system can reach the ultimate using.Based on the analyses and design,a prototype motor is manufactured for experiment with the lab environment.Compared the experiments with simulation results,it proves the design is accurate.

high speed;high power density;PMSM;experiment research

TM 359.9

A

1007–449X(2013)10–0046–06

2013–04–10

國家杰出青年科學基金(51225702)

李立毅(1969—),男,博士,教授,博士生導師,研究方向為特種電機;

郭楊洋(1992—),女,本科,研究方向為特種電機及其驅動控制技術研究;

曹繼偉(1983—),男,博士研究生,研究方向為新型高速電機的研制設計;

嚴柏平(1986—),男,博士研究生,研究方向為新型特種電機的研究。

李立毅