辛建軍

(牡丹江大學，黑龍江牡丹江 157011)

為了校核數(shù)值計算結果的準確性，本研究將采用具體的試驗來測量電動機轉子槽楔、鐵心、銅片以及永磁體的溫度，電動機溫度的測量點分別如圖1所示。

圖1 電機溫度的測量位置

利用確定永磁電動機電磁損耗的基本方法，在電機損耗準確計算的基礎上，把所得的熱源代入溫度場求解程序，并采用有限元法計算電機額定負載運行時的穩(wěn)態(tài)溫度分布。在試驗過程中，由于D點傳感器故障，故未給出測量值。其余各測量點溫度的計算值和實驗值的比較如表1所列。此時，電動機試驗環(huán)境的溫度為27℃。

表1 溫度場計算與實測結果對比

從表1可以看出，在電動機的不同溫度測量位置，溫度場的計算結果和實驗結果比較一致，完全能夠滿足工程計算的要求，并且驗證了轉子附加損耗計算和溫度場模型的準確性和工程實用性。圖2為求解域的溫度分布。

從圖2中可以看出:

1.電動機轉子溫度沿著周向呈對稱分布。這是由電動機的結構形成的結果，在求解域的確定過程中，由基本假設可知電動機的結構式對稱的方式。

圖2 求解域的溫度分布(℃)

2.最高點位于鐵心，其溫度數(shù)值為84℃左右;槽楔處溫度最低，其數(shù)值結果為80℃左右，且轉子內部溫差較小。由于電動機轉子一個封閉的區(qū)域內運行，轉子的散熱僅僅依靠轉子的旋轉在其表面所產生的對流效應進行，而此散熱系數(shù)數(shù)值較小。溫度高低部分的結果則是由于電機損耗分布的特性造成。

3.從計算數(shù)值結果與實驗結果的比較來看，二維溫度場的數(shù)值計算結果與實際溫度趨勢一致，能如實反映轉子各部分的溫度分布。

為了進一步考察永磁電動機轉子溫度場的分布特性，將電動機的轉子局部溫度分布分別提取出來，電動機的鐵心、銅片、永磁體以及槽楔等局部溫度分布分別如圖3、4所示。

從圖3中可以看出，最高溫度出現(xiàn)在轉子鐵心表面，這是由于轉子附加損耗主要集中在鐵心表面的緣故。由于與槽楔接觸，靠近槽楔處鐵心溫度逐漸降低。銅片與鐵心接觸面積較大，而且各自的導熱系數(shù)很大，故銅片與鐵心溫差較小。由于與氣隙對流換熱的影響，銅片靠近轉子表面一端溫度較低，隨著埋入轉子深度加深，溫度增加。從圖4可以看出，最低溫度出現(xiàn)在槽楔處，與實驗結果相吻合。永磁體上表面與槽楔接觸，溫度稍低。其余部分與鐵心緊密結合，故而接近鐵心溫度。

圖3 鐵心和銅片的溫度分布(℃)

圖4 永磁體和槽楔的溫度分布(℃)

1.不帶風扇運行時溫度場分析。

永磁材料的磁性能與永磁電機的運行性能密切相關。本文多研究的永磁電動機采用的永磁體材料為釹鐵硼，它的允許工作溫度為150℃。由于釹鐵硼的溫度系數(shù)很高，造成其磁性能熱穩(wěn)定性較差，因而在高溫工作時可能造成不可逆退磁。為了更大限度地分析電動機的熱性能，本文研究了電機不帶風扇運行時，轉子各部分特別是永磁體的溫升情況。表2為電機不帶風扇運行時，各測量點溫度的計算值和實驗值的對比情況，環(huán)境溫度為27℃。

表2 溫度場計算與實測結果對比

通過對以上數(shù)值計結果的分析研究可以看出:

(1)溫度場的計算結果和實驗結果較好吻合;

(2)由于電機不帶風扇運行，機殼表面散熱較慢，間接導致氣隙溫度升高，因此此時轉子各部分溫度較帶風扇時顯著升高;

(3)電動機永磁體實測溫度為136.4℃，低于其允許工作溫度，說明電機不帶風扇運行時，永磁體仍然不會產生不可逆退磁，電機仍然可以正常工作。

圖5為電動機不帶風扇運行時求解域的溫度分布，而圖6、7為不帶風扇運行時電動機轉子局部溫度分布情況。

將在此情況下的溫度場數(shù)值計算的相應結果圖5、6、7與以上計算的結果圖2、3、4進行對比可知:該永磁電動機轉子二維溫度場的整體以及轉子各部分的溫度分布趨勢以及規(guī)律與電動機帶風扇運行時相一致，最高溫度均出現(xiàn)在轉子鐵心部位，而電動機的最低溫度均出現(xiàn)在轉子的槽楔位置處。

圖5 求解域的溫度分布(℃)

圖6 鐵心和銅片的溫度分布(℃)

圖7 永磁體和槽楔的溫度分布(℃)

2.附加損耗對轉子溫度場的影響。

在本論文的研究中，為了進一步研究附加損耗對轉子溫度場的影響情況，在保持電機結構恒定不變的條件下，通過改變鐵心材料參數(shù)來改變轉子表面附加損耗，進而分析附加損耗的變化對轉子溫度分布的影響。

分別取附加損耗為電機額定負載時附加損耗的倍，對鐵心和永磁體的最高溫度分布進行研究。圖8給出了電機轉子溫度隨附加損耗的變化曲線，環(huán)境溫度為27℃。

圖8 附加損耗對轉子溫度場的影響

通過對圖8的分析研究可以看出，附加損耗對轉子溫度影響顯著，永磁體溫度和鐵心溫度接近，且與附加損耗近似成線性變化。

綜上，根據(jù)永磁電動機的結構特點，在基本假設的基礎上，建立了永磁電動機轉子二維溫度場求解模型。通過溫度場微分方程的建立以及各類邊界條件的給定，特別是相應的損耗、散熱系數(shù)的確定。采用有限元法對永磁電動機轉子二維溫度場進行了數(shù)值求解，并將數(shù)值計算結果和實驗數(shù)據(jù)進行了對比研究，佐證了本論文所采用的研究方法的合理性以及求解域確定的正確性。

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