邱洪波，杜海明，段 強(qiáng)，申 克，馮建勤

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州 450002;2.中國化學(xué)工程第十一建設(shè)有限公司，開封 475000)

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喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)溫度特性研究

邱洪波1，杜海明1，段 強(qiáng)1，申 克2，馮建勤1

(1.鄭州輕工業(yè)學(xué)院，鄭州 450002;2.中國化學(xué)工程第十一建設(shè)有限公司，開封 475000)

針對鋼鐵冶煉過程中喂線機(jī)用節(jié)能永磁電機(jī)受高溫環(huán)境因素影響出現(xiàn)的失磁故障，采用電磁溫度耦合雙收斂迭代計(jì)算方法對13.5 kW，8極短距永磁同步電機(jī)的電磁場及溫度場進(jìn)行了研究。首先建立了該電機(jī)全域二維瞬態(tài)電磁場數(shù)學(xué)模型，給出了電磁溫度耦合雙收斂迭代計(jì)算方法，在此基礎(chǔ)上對電機(jī)的電磁場計(jì)算結(jié)果和溫度場計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析，確定了永磁電機(jī)氣隙磁密及永磁體工作點(diǎn)的變化規(guī)律；同時(shí)進(jìn)一步分析了環(huán)境溫度對電機(jī)內(nèi)溫度分布的影響，給出了電機(jī)內(nèi)溫度隨環(huán)境溫度的非線性變化規(guī)律，揭示了電機(jī)內(nèi)溫度隨環(huán)境溫度改變的非線變化機(jī)理；然后結(jié)合電動機(jī)溫度特性影響關(guān)鍵因素的分析，對比研究了不同環(huán)境溫度下電機(jī)內(nèi)溫度分布的變化特點(diǎn)，給出了高溫環(huán)境下機(jī)殼材料、散熱面積、表面風(fēng)速等影響因素對喂線機(jī)用永磁節(jié)能電動機(jī)溫度分布的影響，對防止高溫環(huán)境下永磁伺服電機(jī)永磁體高溫失磁具有重要意義。

喂線機(jī)；永磁電機(jī)；電磁場；溫度場

0 引 言

在鋼鐵冶煉過程中，需要向鋼液中加入各種添加劑(如脫氧劑、脫硫劑、變質(zhì)劑、合金等)，然而由于鋼水粘度大，鋼包深度大且鋼液表面有浮渣等原因，使得將這些添加劑均勻的熔于鋼液中一直是個難題。喂線技術(shù)的出現(xiàn)，使得這一難題迎刃而解[1]。喂線技術(shù)作為一種爐外精煉技術(shù)，是通過喂線機(jī)向鋼液或鐵液中喂入包裹了各種添加劑的包芯線，達(dá)到對鋼液或鐵液進(jìn)行既定處理的目的[2-5]。隨著喂線工藝?yán)碚摰某墒?、自動化程度的提高，在很大的程度上不但?jié)約了勞動力，杜絕了各種添加劑的無端浪費(fèi)，而且提高了產(chǎn)品的質(zhì)量和性能[6]?，F(xiàn)今，喂線技術(shù)在國內(nèi)外的煉鋼廠和鑄造廠已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

喂線機(jī)，作為向鋼液或鐵液中喂入包芯線的核心設(shè)備，其性能的穩(wěn)定與可靠，是鋼液或鐵液能否按照既定要求進(jìn)行處理的關(guān)鍵。煉鋼廠的環(huán)境溫度普遍比較高，鋼液的出爐溫度基本在1 500 ℃到1 700 ℃左右，而喂線機(jī)放置的位置就在待處理鋼包的正上方，其周圍環(huán)境溫度基本在50 ℃以上。鋼液的重量和處理次數(shù)，要求喂線機(jī)長期處于這樣的高溫環(huán)境中作業(yè)，對喂線機(jī)的核心控制部件電動機(jī)的穩(wěn)定性與可靠性，提出了一定的要求。

調(diào)速永磁電機(jī)以其良好的調(diào)速性能、高效、高功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，在鋼鐵冶煉工業(yè)中得到了認(rèn)可，在節(jié)電節(jié)能方面取得了非常好的效果，電機(jī)的節(jié)能改造已經(jīng)在深化推進(jìn)過程中。但是在永磁電機(jī)節(jié)能改造過程中，由于永磁體自身的材料特點(diǎn)，永磁體在高溫環(huán)境下將會發(fā)生失磁現(xiàn)象，制約著設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)較高的工作溫度環(huán)境制約著電機(jī)的散熱效果，使得永磁電機(jī)在鋼鐵冶煉工業(yè)應(yīng)用中易于出現(xiàn)失磁故障。

近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對于永磁電機(jī)故障進(jìn)行了大量的研究工作，并且在電機(jī)失磁故障診斷方面提出了不同的方法與解決方案。沈陽工業(yè)大學(xué)唐任遠(yuǎn)院士在永磁電機(jī)高溫失磁及電機(jī)熱穩(wěn)定性方面進(jìn)行了深入研究，圍繞永磁電機(jī)出現(xiàn)的高溫失磁現(xiàn)象，對永磁材料性能狀況、熱穩(wěn)定性的快速無損檢測等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了闡述，取得了一些具有工程實(shí)用價(jià)值的研究成果[7-8]；河海大學(xué)馬宏忠教授建立了永磁電機(jī)失磁故障數(shù)學(xué)模型，研究了不同失磁形式下電機(jī)電磁場變化特點(diǎn)，并給出了診斷依據(jù)[9-10]；此外，在電機(jī)溫度場方面，哈爾濱理工大學(xué)戈寶軍教授進(jìn)行了大量的研究工作，采用流固耦合等溫度場分析方法，對氦冷驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子端部溫度場、軸向通風(fēng)雙饋異步發(fā)電機(jī)溫度場、變頻電機(jī)溫度場進(jìn)行了計(jì)算，得到了一些重要的結(jié)論[11-13]；V Hatziathanassiou等人結(jié)合有限元分析理論，給出了二維溫度場熱部件耦合電-熱分析方法[14]；D A Staton等人在對電機(jī)內(nèi)流體流動參數(shù)對熱傳遞影響分析的基礎(chǔ)上，給出了電機(jī)內(nèi)散熱系數(shù)的求解公式[15]。

綜上所述，國內(nèi)外專家學(xué)者均采用了不同方法對電機(jī)溫度場進(jìn)行了研究，也得出了一些有益的結(jié)論，但是對于電機(jī)應(yīng)用環(huán)境特殊的領(lǐng)域(例如高熱環(huán)境下)，永磁電機(jī)溫度場的分析非常少見。本文以一臺13.5 kW,8極分?jǐn)?shù)槽永磁電動機(jī)為例，采用有限元計(jì)算方法對電機(jī)的電磁場和溫度場進(jìn)行了計(jì)算分析，定量的給出了電機(jī)各部分損耗及永磁體溫度的變化情況；給出了高溫環(huán)境下機(jī)殼材料、散熱面積、表面風(fēng)速等影響因素對喂線機(jī)用永磁節(jié)能電動機(jī)溫度分布的影響，為防止鋼鐵冶煉工業(yè)中永磁節(jié)能電機(jī)失磁預(yù)防提供了相應(yīng)的理論依據(jù)。

1 喂線機(jī)用永磁同步電動機(jī)電磁場的分析與計(jì)算

1.1 永磁同步電動機(jī)電磁場全域模型的建立

以鋼鐵冶煉喂線機(jī)系統(tǒng)的核心動力元件永磁同步電動機(jī)為主要研究對象，其工作環(huán)境與安放位置如圖1所示。由于電機(jī)工作在鋼包正上方，所處的環(huán)境基本在50℃以上，因此在電機(jī)節(jié)能改造過程中，要考慮到環(huán)境溫度對電機(jī)的影響，若設(shè)計(jì)不當(dāng)則直接威脅設(shè)備的正常運(yùn)行甚至造成安全事故。本文研究的節(jié)能永磁電機(jī)基本參數(shù)如表1所示。

圖1 喂線機(jī)工作環(huán)境

表1 節(jié)能永磁伺服同步電機(jī)參數(shù)

根據(jù)節(jié)能永磁電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，建立了電機(jī)二維電磁場分析模型，如圖2所示。為了簡化電機(jī)電

圖2 喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)

磁場計(jì)算過程，本文參照樣機(jī)模型作出以下假設(shè)[16]：

1)忽略永磁電機(jī)的端部漏磁，在二維電磁場有限元分析計(jì)算時(shí)，僅考慮向量磁位的z軸分量；

2)近似認(rèn)為電機(jī)各部分材料為各向同性；

3)忽略溫度變化對電機(jī)材料電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率的影響。

在上述模型建立與假設(shè)條件下，根據(jù)永磁電機(jī)電磁場相應(yīng)理論，通過永磁電機(jī)相對應(yīng)的邊界條件，得到該電機(jī)的邊值方程[17-18]：

(1)

式中:Ω為電機(jī)電磁場求解區(qū)域；Jz為電機(jī)內(nèi)材料傳導(dǎo)電流密度；μ為電機(jī)內(nèi)材料相應(yīng)的磁導(dǎo)率；σ為電機(jī)內(nèi)材料相應(yīng)的電導(dǎo)率；S1為永磁電機(jī)定子外邊界與轉(zhuǎn)軸內(nèi)邊界；Az為電機(jī)電磁場向量磁位的z軸分量；S2為電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體外邊界；Js為電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體等效電流密度；t為時(shí)間。

1.2 電磁-溫度收斂迭代計(jì)算

喂線機(jī)的驅(qū)動電機(jī)，由于其長時(shí)間工作在鋼包正上方，電機(jī)的工作環(huán)境溫度通常在50 ℃以上，因此在電機(jī)節(jié)能改造過程中，對電機(jī)的耐溫要求較高，尤其是采用永磁電機(jī)時(shí)，過高的環(huán)境溫度，可以降低永磁體的勵磁性能，若電機(jī)設(shè)計(jì)不當(dāng)，極易造成永磁體失磁，影響設(shè)備的正常運(yùn)行，進(jìn)一步造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此對于鋼鐵冶煉喂線機(jī)用節(jié)能永磁伺服電機(jī)運(yùn)行的可靠性及溫度場的分析具有一定的意義。

由于電機(jī)內(nèi)永磁材料勵磁特性隨電機(jī)工作溫度變化非常明顯，而且電機(jī)定子繞組在高溫環(huán)境下也會有明顯的增加。為了使得電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，對電機(jī)電磁特性及溫度分布有一定的準(zhǔn)確評估，本論文采用了一種電磁溫度耦合雙收斂迭代計(jì)算方法。

在該方法中，首先假定電機(jī)的初始工作溫度，電機(jī)各部分材料屬性將按照該初始溫度進(jìn)行設(shè)定；然后對電機(jī)電磁場進(jìn)行有限元計(jì)算，求出該電機(jī)的基本性能及各部分損耗；在損耗計(jì)算的基礎(chǔ)上，對電機(jī)溫度場進(jìn)行進(jìn)一步計(jì)算，若所求出的電機(jī)溫度與初始工作溫度相一致，則證明假設(shè)合理準(zhǔn)確；若不一致則按照計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步對電機(jī)的工作溫度進(jìn)行迭代收斂計(jì)算。

按照上述所提出的方法，針對于該電機(jī)自身特點(diǎn)，選擇永磁體溫度和電機(jī)定子繞組溫度為關(guān)鍵考核點(diǎn)，以這兩處溫度為雙收斂目標(biāo)進(jìn)行迭代，通過確定收斂因子ε，完成電機(jī)的電磁與溫度的耦合計(jì)算，計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 電磁-溫度耦合雙收斂迭代計(jì)算流程圖

圖3中，

(2)

(3)

1.3 喂線機(jī)用節(jié)能永磁電機(jī)電磁場計(jì)算結(jié)果分析

1.3.1 喂線機(jī)用節(jié)能永磁電機(jī)磁場的分布

基于電磁場時(shí)步有限元計(jì)算方法，對喂線機(jī)用節(jié)能電機(jī)進(jìn)行了研究，得出了電機(jī)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)(13.5 kW，2 000 r/min)以及電機(jī)半載運(yùn)行時(shí)(6.75 kW，2 000 r/min)磁場及氣隙磁密的波形，如圖4所示。

(a) 磁密分布圖

(b) 氣隙磁密

從圖4中磁密分布對比圖以看出，相對于電機(jī)半載運(yùn)行時(shí)，電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)的磁密最大值相對較大，磁密分布最大值的變化可以通過氣隙磁密的變化進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)說明，受電機(jī)電樞反應(yīng)影響，交軸磁場將會使得電機(jī)氣隙磁密的波形發(fā)生改變，使得一個磁極下的磁場一半增磁，另一半去磁；定子電流越大，對氣隙磁密的影響就越為嚴(yán)重，所以滿載運(yùn)行時(shí)，增磁部分的磁密增加相對于半載運(yùn)行時(shí)明顯。由于氣隙磁密的改變，將會使得磁密的分布發(fā)生變化，電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)，磁密分布最大值相對較大。

1.3.2 永磁體工作點(diǎn)的分析

永磁電機(jī)永磁體工作點(diǎn)的改變直接反映了永磁體勵磁性能的變化，本文在氣隙磁密分析的基礎(chǔ)上，對永磁體工作點(diǎn)進(jìn)行了分析。由于永磁體工作點(diǎn)是永磁電機(jī)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的一個重要參數(shù)，而且受電機(jī)工作溫度影響極為明顯，因此采用電磁溫度耦合雙收斂迭代計(jì)算方法對永磁體工作點(diǎn)的改變進(jìn)行分析具有重要的意義，可以相對準(zhǔn)確判斷永磁體工作點(diǎn)的大小。

在本文中通過提取永磁電機(jī)氣隙磁密直軸分量來確定永磁體工作點(diǎn)，表2給出了喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)滿載運(yùn)行和半載運(yùn)行時(shí)永磁體氣隙磁密直軸分量的大小。

表2 滿載運(yùn)行和半載運(yùn)行時(shí)氣隙磁密直軸分量的大小

從表2中可以看出，在永磁體同一工作溫度下電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)，氣隙磁密的直軸分量明顯降低，相對于電機(jī)半載運(yùn)行時(shí)，氣隙磁密直軸分量降低了4%左右。若考慮到永磁體受溫度的影響，該變化將會更為明顯。

1.3.3 電機(jī)內(nèi)損耗分布計(jì)算

電機(jī)內(nèi)各部分損耗的計(jì)算是電機(jī)電磁場分析的一個重要環(huán)節(jié)，損耗的計(jì)算不僅是本文電機(jī)溫度場分析的前提工作，同時(shí)也是喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)電磁溫度耦合雙收斂迭代計(jì)算方法的重要步驟。

(1) 銅耗

通常情況下，繞組中通以直流或交流時(shí)，其電阻式不同的，一個是直流繞組，一個稱之為交流繞組。在本文銅耗計(jì)算過程中，由于繞組采用多根細(xì)導(dǎo)線并繞，有效降低了集膚效應(yīng)增加的附加電阻，因此本文采用不同溫度下直流電阻對電機(jī)銅耗進(jìn)行簡化計(jì)算。不同溫度下電樞繞組的直流電阻表達(dá)式[19]：

(4)

式中：α為導(dǎo)體電阻的溫度系數(shù)；t15等于15 ℃；ρ15為銅在溫度15 ℃時(shí)的電阻率大小。

(2) 鐵耗

基于喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)二維瞬態(tài)電磁場的計(jì)算，將渦流損耗分成常規(guī)渦流損耗和附加渦流損耗，那么硅鋼片的鐵心損耗[20]:

(5)

式中：Kh，Kc和Kε分別為磁滯損耗系數(shù)、傳統(tǒng)渦流損耗系數(shù)和附加渦流損耗系數(shù);Bm為磁密幅值。這些系數(shù)可以根據(jù)損耗曲線計(jì)算得出。

(3)渦流損耗

在喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)中，轉(zhuǎn)子部分為了固定表面貼磁的永磁體，在永磁體外圓放置了不銹鋼制成的護(hù)套，然而在電機(jī)整個運(yùn)行過程中，受氣隙內(nèi)諧波磁動勢影響，將會在電機(jī)轉(zhuǎn)子表面的永磁體和護(hù)套內(nèi)產(chǎn)生渦流損耗，根據(jù)文獻(xiàn)[21] 轉(zhuǎn)子總渦流損耗在一個周期Te內(nèi)的計(jì)算方法如下：

(6)

式中:Pe為表面貼磁永磁伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗；Δe為永磁伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子單元面積；Je為永磁伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子單元電密；σr為永磁伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子材料電導(dǎo)率；lt為永磁伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子軸向有效長度。

雖然該部分損耗相對于其他損耗數(shù)值相對較小，但是由于受轉(zhuǎn)子部分散熱條件的限制，轉(zhuǎn)子部分的損耗也極易造成轉(zhuǎn)子溫度的升高。

2 喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)溫度場分析

對于永磁電機(jī)，溫度場的分析是非常重要的，一方面可以確定定子繞組工作時(shí)的溫度，進(jìn)一步合理設(shè)計(jì)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)，另一方面可以有效計(jì)算轉(zhuǎn)子永磁體的溫度，對防止永磁體高溫失磁具有重要意義。在本文中，由于喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)工作在高溫環(huán)境下，對于永磁體的工作溫度計(jì)算尤為重要，不僅可以在電機(jī)設(shè)計(jì)過程中，防止永磁體的熱退磁，而且可以計(jì)算出高溫環(huán)境對永磁體及電機(jī)性能的影響。

2.1 二維溫度場模型的建立

對電機(jī)進(jìn)行熱分析時(shí)，為了簡化計(jì)算，作如下假設(shè)[22]：

1)材料的導(dǎo)熱系數(shù)和對流系數(shù)不隨溫度的變化而變化；

2)沿電機(jī)軸向的導(dǎo)熱系數(shù)為零；

3)忽略熱輻射對熱量的交換；

4)電機(jī)所處的環(huán)境溫度不變；

5)傳熱過程開始時(shí)電機(jī)的整體溫度等于環(huán)境溫度。

在以上假設(shè)條件下，電機(jī)溫度場可以通過二維場來求解。在笛卡爾坐標(biāo)系下二維穩(wěn)態(tài)溫度場求解的熱平衡微分方程為[23]：

(7)

式中：kx,ky分別表示材料在x方向和y方向的導(dǎo)熱系數(shù)；T為溫度；q為熱源的密度。

在求解溫度場時(shí)為了使每個節(jié)點(diǎn)具有唯一解，根據(jù)電機(jī)溫度場計(jì)算理論，確定如下定解條件：

(8)

式中：k沿邊界線法向方向的導(dǎo)熱系數(shù)；Γ表示邊界線；Tf表示電機(jī)所處環(huán)境的空氣溫度；α表示傳熱系數(shù)或散熱系數(shù)。

2.2導(dǎo)熱系數(shù)的確定

在計(jì)算電機(jī)全域的二維溫度場時(shí)，氣隙內(nèi)空氣導(dǎo)熱系數(shù)受轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)影響，增加了求解電機(jī)溫度場的難度。本文中，為了簡化計(jì)算，在保證定轉(zhuǎn)子之間傳遞的熱量不變條件下，將旋轉(zhuǎn)流動的空氣導(dǎo)熱能力等效為靜止空氣的有效導(dǎo)熱系數(shù)，該等效導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算[24-25]：

(9)

2.3 溫度場計(jì)算結(jié)果分析

在上述假設(shè)條件及基本理論的基礎(chǔ)上，本文對節(jié)能永磁伺服電動機(jī)的溫度場進(jìn)行了計(jì)算，圖5分別給出電動機(jī)環(huán)境溫度分別為25 ℃和55 ℃時(shí)，電機(jī)內(nèi)的溫度分布。

從圖5中可以看出喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)在環(huán)境溫度25 ℃額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，永磁體及繞組溫度一般不會超過110 ℃，但是隨著工作環(huán)境溫度的升高，永磁體及繞組溫度均會明顯提升，以喂線機(jī)用電動機(jī)環(huán)境溫度55 ℃為例，環(huán)境溫度的升高使得永磁體電機(jī)永磁體和定子繞組溫度最高溫度上升到了142.2 ℃，使得定子繞組絕緣等級提高了，而且很大程度限制了永磁電機(jī)的過載能力，在過載運(yùn)行時(shí)，極易危害永磁電機(jī)的安全運(yùn)行。

(a)環(huán)境溫度25℃(b)環(huán)境溫度55℃

圖5 不同環(huán)境溫度下永磁電機(jī)內(nèi)溫度分布

由于永磁體是永磁電機(jī)中受溫度影響最為嚴(yán)重的部分，因此在永磁電機(jī)溫度場計(jì)算分析過程中，應(yīng)該對永磁體的溫度分布進(jìn)行研究。表3中給出了永磁電機(jī)環(huán)境溫度不同時(shí)，永磁的最高溫度和平均溫度對比。

表3 永磁體最高溫度和平均溫度對比

從表3中可以看出喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)在兩種工作環(huán)境下，電機(jī)內(nèi)部永磁體的溫度變化，相對于環(huán)境溫度25 ℃時(shí)，永磁體在電機(jī)工作環(huán)境55 ℃時(shí)溫度提高了40 ℃左右。

2.4結(jié)果對比與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在上節(jié)分析中可以看出，喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)在環(huán)境溫度提高30 ℃時(shí)，永磁體的溫度提高了40 ℃，該變化并不是線性規(guī)律變化，因此為了計(jì)算永磁體溫度的變化，以及溫度對電機(jī)所產(chǎn)生的影響，采用電磁溫度耦合雙收斂迭代計(jì)算方法是非常必要的，通過反復(fù)進(jìn)行迭代收斂計(jì)算，最終可以求出電機(jī)各部分損耗、電機(jī)性能以及電機(jī)溫度的相對準(zhǔn)確結(jié)果。

通過對環(huán)境溫度為25 ℃和環(huán)境溫度為55 ℃的迭代計(jì)算結(jié)果可以看出，采用釹鐵硼材料的永磁體在兩種工作環(huán)境下，永磁體的剩磁和矯頑力均發(fā)生了明顯的變化，環(huán)境溫度為55 ℃時(shí)永磁體剩磁降低了4.7%，而矯頑力降低了2.5%。由于受永磁體勵磁性能的改變，電機(jī)的輸入電流發(fā)生了改變，電機(jī)銅耗以及轉(zhuǎn)子渦流損耗增加明顯，因此造成了電機(jī)的內(nèi)部溫度與環(huán)境溫度的非線性變化規(guī)律。

由于現(xiàn)場試驗(yàn)條件復(fù)雜，對于電機(jī)溫度場的測量較為困難，而且轉(zhuǎn)子永磁體溫度也不便于測量，因此本文在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下，對電機(jī)繞組溫度進(jìn)行了測試，表中給出了該永磁伺服電機(jī)在不同環(huán)境溫度下，電機(jī)繞組的溫度變化情況，并且與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表4 電機(jī)不同環(huán)境溫度下溫度測試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果

通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，無論在環(huán)境溫度是25 ℃，還是環(huán)境溫度是5 ℃，電機(jī)繞組溫度的計(jì)算結(jié)果與測試結(jié)果均不超過4%，符合工程實(shí)際要求。另外，通過不同環(huán)境溫度測試結(jié)果對比可以看出，電機(jī)繞組的溫度并不是隨著環(huán)境溫度的改變，而呈現(xiàn)簡單的疊加計(jì)算。由于環(huán)境溫度的改變，直接引起了電機(jī)電樞電阻等參數(shù)的變化，因此研究環(huán)境溫度對于電機(jī)溫度場的影響，有必要兼顧電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的變化。所以，上述分析有效證明了電磁-溫度收斂迭代計(jì)算的重要性。

3 喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)溫度特性關(guān)鍵影響因素分析

在確定喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)工作在高溫環(huán)境下，電機(jī)電磁與溫度計(jì)算特點(diǎn)以及證明了電磁-溫度雙收斂迭代計(jì)算重要性的基礎(chǔ)上。基于電磁-溫度收斂迭代計(jì)算方法，本文進(jìn)一步對節(jié)能永磁電機(jī)不同溫度特性關(guān)鍵因素對電機(jī)溫度分布的影響進(jìn)行了分析。

3.1 機(jī)殼材料對電機(jī)溫度特性的影響研究

文中電機(jī)采用全封閉外風(fēng)冷式冷卻結(jié)構(gòu)，電機(jī)內(nèi)部各部件產(chǎn)生的熱量主要有風(fēng)機(jī)所產(chǎn)生的氣流進(jìn)行對流換熱。由于機(jī)殼與換熱氣流直接接觸，那么機(jī)殼材質(zhì)的屬性將直接影響電機(jī)自身的換熱效果。結(jié)合電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)，文中將樣機(jī)的鋁合金機(jī)殼，分別替換成鑄鐵、鋼等材料進(jìn)行分析，確定電機(jī)機(jī)殼不同材料對電機(jī)溫度特性的影響。通過對不同機(jī)殼材料的電機(jī)進(jìn)行溫度場計(jì)算得到三種機(jī)殼材質(zhì)下永磁電機(jī)溫度場分布，圖6給出了環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)不同機(jī)殼材質(zhì)下電機(jī)機(jī)殼與永磁體溫度變化。

圖6 機(jī)殼材料不同時(shí)電機(jī)機(jī)殼與永磁體溫度(25 ℃下)

由圖6可知，當(dāng)電機(jī)采用鋁合金材料時(shí)，電機(jī)內(nèi)的永磁體溫度降低較明顯，相對于電機(jī)采用鋼材時(shí)，電機(jī)內(nèi)最高溫度降低了3.2%。由于機(jī)殼材料的不同，其導(dǎo)熱系數(shù)也不同，對于電機(jī)內(nèi)換熱的影響也不同，材料的熱導(dǎo)率越高，電機(jī)內(nèi)永磁體溫度相對越低。

相對于電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁體溫度的變化，機(jī)殼材料對于電機(jī)表面最低溫度的影響相對不明顯，不同機(jī)殼材料，電機(jī)表面溫度變化范圍僅在2 ℃左右。

在對電機(jī)工作環(huán)境溫度25 ℃研究的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步對環(huán)境溫度上升至55 ℃情況下不同機(jī)殼材質(zhì)電機(jī)極值溫度進(jìn)行研究，表5給出了不同環(huán)境溫度下電機(jī)永磁體溫度隨機(jī)殼材料的變化情況。

表5 電機(jī)永磁體溫度隨機(jī)殼材料的變化

從表5中可以看出，當(dāng)環(huán)境溫度上升了30 ℃時(shí)，電機(jī)永磁體平均溫度升高了40 ℃左右。雖然采用導(dǎo)熱性能良好的鋁合金材料作為機(jī)殼，永磁體最高溫度也提高了39.7 ℃，低于了三種材料的平均升高值，但是效果也不是非常明顯。由此可見，當(dāng)電機(jī)工作在高溫環(huán)境下，永磁體最高溫度的變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于環(huán)境的變化，而且采用導(dǎo)熱性能材料好的鋁合金材料，雖然在降低永磁體材料溫度方面有一定效果，但是效果不是很明顯。

3.2 機(jī)殼散熱面積對電機(jī)溫度特性的影響研究

在永磁伺服電機(jī)中，除了機(jī)殼材料對溫度場分布影響以外，機(jī)殼結(jié)構(gòu)(包括散熱翅形式和散熱面積)也是影響電機(jī)散熱能力的關(guān)鍵因素。本文中，在電機(jī)原有機(jī)殼設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別增加和縮小機(jī)殼散熱面積，對電機(jī)三種不同機(jī)殼散熱面積(0.1 m2，0.15 m2，0.44 m2)的溫度場進(jìn)行了計(jì)算，圖7給出了環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，電機(jī)內(nèi)溫度分布的變化情況。

(a)0.1m2(b)0.15m2

(b) 0.44 m2

由于散熱面積是電機(jī)散熱能力的一個重要參數(shù)，直接影響電機(jī)整體的溫度變化，隨著機(jī)殼散熱面積的增加，可在一定程度范圍內(nèi)降低電機(jī)整體溫度的變化，對電機(jī)散熱產(chǎn)生一定的積極作用。通過圖7中電機(jī)溫度的對比可以看出，電機(jī)機(jī)殼散熱面積為0.44 m2時(shí)，電機(jī)內(nèi)的最高溫度相對于電機(jī)機(jī)殼散熱面積為0.1 m2時(shí)，降低了47.6%；即使機(jī)殼散熱面積增加0.05 m2，電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的溫度也降低了16.4%左右，由此可見，在降低轉(zhuǎn)子永磁體溫度方面，效果非常明顯。

在機(jī)殼散熱面積對電機(jī)溫度分布影響分析的基礎(chǔ)上，本文進(jìn)一步分析了電機(jī)在高熱環(huán)境下，機(jī)殼散熱面積對電機(jī)溫度分布影響程度的變化。表6給出了環(huán)境溫度分別為25 ℃和55 ℃時(shí)，機(jī)殼散熱面積對電機(jī)繞組和永磁體溫度影響的變化情況。

表6 不同散熱面積下永磁體與繞組溫度變化

從表6中可以看出，無論電機(jī)工作在室溫下，還是工作在高溫環(huán)境下，隨著電機(jī)散熱面積的增加，電機(jī)轉(zhuǎn)子部分與電機(jī)定子繞組溫差逐漸減小。當(dāng)電機(jī)機(jī)殼散熱面積為0.44 m2時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子部分與電機(jī)定子繞組溫差1.8 ℃左右。

此外，當(dāng)環(huán)境溫度由常規(guī)室溫環(huán)境下轉(zhuǎn)換到高熱環(huán)境下時(shí)，相對應(yīng)的永磁體和定子繞組溫度分別平均升高了40 ℃。而且隨著散熱面積的增加，受環(huán)境溫度影響而造成溫度增加的程度降低。

3.3 機(jī)殼表面風(fēng)速對電機(jī)溫度特性的影響研究

樣機(jī)中，電機(jī)環(huán)境運(yùn)行風(fēng)速為7 m/s。為了進(jìn)一步研究在常溫和高溫環(huán)境下，風(fēng)速對電機(jī)內(nèi)部溫度分布的影響，本文進(jìn)一步對不同風(fēng)速下，電機(jī)永磁體溫度的變化情況進(jìn)行了分析，如表7所示。

表7 電機(jī)表面風(fēng)速不同時(shí)永磁體最高溫度變化

從圖7中可以看出，當(dāng)永磁電機(jī)處于自然冷卻狀態(tài)下時(shí)，環(huán)境溫度為25 ℃時(shí)，永磁體溫度為247 ℃，當(dāng)環(huán)境溫度為55 ℃時(shí)，永磁體溫度高達(dá)296 ℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了永磁體的工作溫度；相對于永磁體溫度，電機(jī)繞組的溫度更是高達(dá)291 ℃，超過了電機(jī)絕緣標(biāo)準(zhǔn)，由此證明電機(jī)在該工作狀態(tài)下，必須采用附加強(qiáng)制散熱措施。

另外，根據(jù)上圖中的變化規(guī)律，可以將溫度變化曲線分成兩個階段。當(dāng)風(fēng)速在10 m/s以內(nèi)變化時(shí)，無論是室溫還是高溫環(huán)境下，電機(jī)的溫度隨風(fēng)速的變化較為明顯。當(dāng)風(fēng)速超過10 m/s時(shí)，電機(jī)的溫度隨機(jī)殼表面風(fēng)速的變化程度減弱。

結(jié)合喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)溫度特性關(guān)鍵影響因素的分析，本文進(jìn)行了常規(guī)溫度與高溫環(huán)境下，電機(jī)內(nèi)溫度的對比。電機(jī)工作在高熱環(huán)境下，由于電機(jī)電樞電阻、永磁體性能等參數(shù)的變化，導(dǎo)致了永磁電機(jī)溫度相對于規(guī)定室溫狀態(tài)下，溫度有大幅度明顯提高，而且與環(huán)境溫度的變化呈現(xiàn)非線性的特點(diǎn)。因此在設(shè)計(jì)高溫環(huán)境下運(yùn)行的永磁電機(jī)，永磁體和繞組溫升相對于工作溫度的改變留有更大的裕度。

4 結(jié) 語

本文采用電磁溫度耦合雙收斂迭代計(jì)算方法，建立喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)在高溫環(huán)境下電機(jī)溫度場計(jì)算模型，對比分析了環(huán)境溫度對電機(jī)內(nèi)溫度分布的影響，并結(jié)合電機(jī)溫度特性影響關(guān)鍵因素，確定了不同環(huán)境溫度下，電機(jī)內(nèi)溫度的變化規(guī)律，得到如下結(jié)論：

(1)由于喂線機(jī)用節(jié)能永磁電動機(jī)通常工作在高溫環(huán)境下，電機(jī)內(nèi)溫度及永磁體工作點(diǎn)均會發(fā)生較大改變，本文通過揭示電機(jī)內(nèi)的溫度與環(huán)境溫度變化呈現(xiàn)非線性變化規(guī)律，確定了高溫運(yùn)行環(huán)境下，電機(jī)電磁溫度耦合雙收斂迭代計(jì)算的必要性。

(2)電機(jī)工作在高溫環(huán)境下，由于電機(jī)電樞電阻、永磁體性能等參數(shù)的變化，導(dǎo)致了永磁電機(jī)溫度變化遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境溫度的改變；因此在高溫環(huán)境下運(yùn)行的永磁電機(jī)，在設(shè)計(jì)應(yīng)用時(shí)，永磁體和繞組溫升相對于工作溫度的改變留有更大的裕度。

(3)結(jié)合對電機(jī)溫度特性關(guān)鍵影響因素的分析，不同的影響因素，在高溫與低溫環(huán)境，電機(jī)溫度變化幅度雖然有一定區(qū)別，但是影響不是很明顯；電機(jī)溫度影響的關(guān)鍵因素對于電機(jī)高熱環(huán)境下與常溫環(huán)境下，影響的變化規(guī)律基本一致。

(4)無論電機(jī)工作在常溫狀態(tài)下，還是高溫狀態(tài)下，電機(jī)永磁體最高溫度與機(jī)殼表面風(fēng)速的變化為非線性變化規(guī)律；當(dāng)風(fēng)速較低時(shí)(10 m/s以內(nèi))變化時(shí)，電機(jī)內(nèi)永磁體最高溫度變化較為明顯；當(dāng)風(fēng)速相對較高時(shí)，隨著機(jī)殼表面風(fēng)速的增加永磁體溫升變化幅度降低。

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Temperature Characteristic Study of Permanent Magnet Motor in Wire Feeding Machine

QIUHong-bo1，DUHai-ming1，DUANQiang1，SHENKe2，F(xiàn)ENGJian-qin1

(1.Zhengzhou University of Light Industry，Zhengzhou 450002，China; 2.China Eleventh Chemical Construction Company Limited，Kaifeng 475000，China)

Since the permanent magnet demagnetization fault caused by the high temperature in iron and steel smelting process, the electromagnetic field and temperature field of the 13.5 kW, 8 poles permanent magnet motor were studied by using the method of the double coupling convergent iterative of the temperature and electromagnetic fields. The 2-D transient electromagnetic field model of this permanent magnet machine was established, and the method of the double coupling convergent iterative of the electromagnetic field and temperature field was accounted. Based on above analyses, the calculation results of electromagnetic field and temperature field were obtained, and the variations of the air gap flux density and the permanent magnet operating point were analyzed. Additionally, the influence of the environment temperature on the temperature distribution in this machine was studied, and the temperature distribution nonlinear change in this machine with the environment temperature was discovered. And then combining the analysis of the temperature influence key factors, the temperature distribution of the machine operating at different environmental temperature was studied comparatively. The influence of casing material, heat dissipation area, and wind speed on the machine temperature field was analyzed, when the motor operates at high temperature environment. The conclusion may provide some reference for preventing the permanent magnet demagnetization.

wire feeding machine； permanent magnet machine； electromagnetic field； temperature field

2015-10-27

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51507156)；鄭州輕工業(yè)學(xué)院研究生科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2014007)

TM351

A

1004-7018(2016)08-0007-08

邱洪波(1986-)男，博士，講師，研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)多物理場分析及特種電機(jī)設(shè)計(jì)。