魏 丹,付雅軍,段 敏

(遼寧工業(yè)大學,錦州121001)

0 引 言

永磁同步電動機由于具有瞬時功率高、效率高、轉(zhuǎn)子無電磁損耗等優(yōu)勢,應用范圍不斷擴大。永磁同步電動機的溫度與電機的輸出效率、過載能力,甚至是電機的運行安全直接相關(guān),而電機溫度又與永磁體性能、繞組電阻等參數(shù)有著密切的關(guān)系。電機溫度過高、溫升過快,會使永磁體不可逆退磁或者使繞組絕緣損壞,引起短路,損壞電機結(jié)構(gòu)。電機溫度過低,不能充分利用電機材料性能,帶來過多的性能冗余,提高了生產(chǎn)成本。因此,對永磁同步電動機各部分溫度場的準確分析,將給電機性能改善、結(jié)構(gòu)優(yōu)化及電機材料合理選擇帶來更科學、準確的參考依據(jù)。

本文主要研究5.5 kW永磁同步電動機,根據(jù)傳熱學理論分析計算電機損耗、導熱和散熱系數(shù),建立電機有限元模型并對模型進行等效簡化,通過仿真計算,分析額定狀態(tài)下永磁同步電動機的溫度場。搭建該型電機的溫升實驗臺,采用熱電偶法對電機運行時各部分溫升值進行連續(xù)采集,與理論值進行比對,驗證該仿真方法的正確性。

1 電機參數(shù)的確定

1.1 電機基本參數(shù)

5.5 kW永磁同步電動機的技術(shù)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 樣機技術(shù)參數(shù)

1.2 確定電機損耗

(1)機械損耗

電機機械損耗多通過試驗數(shù)據(jù)進行估算或近似計算。其中滾動軸承摩擦損耗計算表達式[1]:

式中:F為滾動軸承載荷;v為滾珠線速度;d為軸承內(nèi)滾珠直徑。

(2)繞組損耗

多繞組電機繞組損耗計算表達式:

式中:Ix為電流;Rx為電阻。

(3)鐵心損耗

鐵心損耗主要體現(xiàn)在鐵心中同時發(fā)生的磁滯損耗和渦流損耗上。損耗計算表達式[2]:

式中:pFe為鐵心損耗;GFe為鐵心質(zhì)量;pper為單位質(zhì)量損耗;Ka為損耗增加系數(shù)。

以上3種電機損耗中,鐵心損耗和繞組損耗占有較大的比重,而機械損耗比重較小,可忽略不計。

1.3 確定導熱系數(shù)

電機的主要導熱介質(zhì)是定子鐵心、定子繞組和氣隙,所以應確定這三者的導熱系數(shù)。

(1)鐵心導熱系數(shù)

硅鋼片含硅量的大小和制造工藝的不同對導熱系數(shù)有很大影響。含硅量與導熱系數(shù)成反比例關(guān)系;當鐵心疊裝壓力小于0.5～0.6 MPa時,鐵心導熱系數(shù)與疊裝壓力成反比,當超過這一閾值導熱系數(shù)趨于穩(wěn)定;硅鋼片表面處理情況則主要對橫向?qū)嵯禂?shù)產(chǎn)生影響,表面光滑平整,絕緣分布均勻,導熱系數(shù)相對穩(wěn)定;經(jīng)多層硅鋼片疊壓而成的鐵心在各層間均涂有絕緣漆,而絕緣漆導熱系數(shù)極低,這就造成鐵心徑向?qū)嵯禂?shù)遠大于軸向?qū)嵯禂?shù),稱為鐵心的各向異性導熱媒質(zhì)特性。鐵心徑向和周向?qū)峥梢缘刃槎鄬悠奖诓⒙?lián),軸向?qū)峥梢缘刃槎鄬悠奖诖?lián)[3]。

(2)定子繞組導熱系數(shù)

為了簡化計算,對定子槽做如下假設(shè)[3]:浸漬漆填充均勻,浸漬狀態(tài)良好;槽絕緣與鐵心結(jié)合的相當緊密;繞組銅線最外層的絕緣漆涂抹均勻;忽略槽內(nèi)各導線之間的溫差。

根據(jù)以上假設(shè),定子繞組等效導熱系數(shù)計算公式[4-5]:

式中:δi為絕緣材料等效厚度;λeq為絕緣材料平均導熱系數(shù)。

(3)氣隙等效導熱系數(shù)

氣隙中空氣的流動情況非常復雜,難以準確描述,所以實驗中氣隙交換能力常依據(jù)經(jīng)驗公式計算。假定轉(zhuǎn)子靜止,把氣隙中流動的空氣看作靜止的空氣。氣隙有效導熱系數(shù)計算方法參考文獻[5]。

1.4 確定表面散熱系數(shù)

(1)定、轉(zhuǎn)子表面散熱系數(shù)

定子結(jié)構(gòu)熱量一部分熱量通過定子端面直接散發(fā)到電機內(nèi)部,另一部分熱量通過氣隙傳遞給轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),再由轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)散發(fā)到周圍空氣中。定、轉(zhuǎn)子換熱系數(shù)按下式計算[6]:

式中:a為散熱系數(shù);V為端面氣體風速。

(2)機座表面散熱系數(shù)

機座表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)按下式計算[7]:

式中:v為吸入機座內(nèi)壁風速;q為機座壁外表面的溫度。

本文所研究的永磁同步電動機采用的冷卻方式是內(nèi)置風扇型,通過以上公式計算,得出機座表面散熱系數(shù)為12.99 W/(m2·℃),轉(zhuǎn)子端面散熱系數(shù)為22.2 W/(m2·℃),定子端面散熱系數(shù)為15.2 W/(m2·℃)。

2 電機溫度場仿真分析

2.1 有限元模型的建立

采用CATIA軟件進行電機三維建模,再將模型導入Ansys workbench 14.0中,電機整體分析模型如圖1所示。為了計算方便,對電機模型進行簡化,忽略螺栓、軸承等對分析結(jié)果影響不大的零件,保留機座、定子、轉(zhuǎn)子、繞組模型、永磁體和轉(zhuǎn)軸等主要零部件。利用軟件對簡化后的模型進行網(wǎng)格劃分,檢驗網(wǎng)格質(zhì)量,最終確定網(wǎng)格模型。

圖1 電機整體分析模型

2.2 溫度場仿真分析

本文主要研究永磁同步電動機穩(wěn)定運行時溫度場分布情況,施加載荷和邊界條件后可得到該工況下溫度場云圖,如圖2所示。該圖可直觀體現(xiàn)電機各部分溫度分布,電機最高溫升出現(xiàn)在定子繞組的中部,最高溫度達93.065℃。轉(zhuǎn)子和永磁體附近溫升相對較低,這是由于轉(zhuǎn)子損耗較小,永磁體本身導熱性能較差。電機定子鐵心軸向的最高溫度77.162℃,徑向溫度差異小于軸向溫度差異,這是由于電機鐵心為各向異性導熱媒質(zhì)。電機的機殼端面溫度最低,為45.354℃。

圖2 電機穩(wěn)態(tài)時溫度場分布云圖

3 樣機溫升實驗

3.1 溫升實驗方案

采用埋置檢溫計法,將熱電偶的工作端埋置在理論分析中溫度較高部位和內(nèi)部不易到達部位,熱電偶的自由端通過測溫線與溫度測試儀相連。溫升試驗的實驗條件如表2所示,搭建的整個電機溫升實驗臺如圖3所示。

表2 溫升實驗條件

圖3 電機溫升的實驗平臺

3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

實驗平臺搭建完成后,運行工作2 h,溫度測試儀顯示各溫度值趨于平穩(wěn)后,認定電機達到穩(wěn)態(tài),終止實驗。將溫度測試儀記錄下的各時刻實驗數(shù)據(jù)導入軟件中繪制電機各部分溫升實驗曲線,如圖4所示。定子繞組的溫度最高,其次是定子鐵心,轉(zhuǎn)子溫度更低,機殼表面溫度最低。實驗測得的電機各部分穩(wěn)態(tài)時最終溫度:定子繞組85℃,定子鐵心69.1℃,轉(zhuǎn)子58.5℃,機殼44.9℃。

圖4 電機各部分溫升實驗曲線

3.3 對比分析實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)

由于無法精確控制電機實際運行中不受外界條件干擾,如電流小幅度波動,會使電機出現(xiàn)基于額定工作狀態(tài)的少量波動,而溫度測量儀等實驗儀器同樣存在測量誤差。所以實驗值與理論值必然會出現(xiàn)一定偏差。電機溫升實驗的實驗值與理論值如表3所示,溫度最高的是定子繞組,最低的是機殼表面,差值最大的是定子鐵心溫度11.7%,差值最小的是機殼表面溫度1%,差值都在12%以下,仿真計算數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)基本一致,驗證了仿真結(jié)果的準確性。

表3 電機溫度場理論值與實驗值的對比

4 結(jié) 語

本文以永磁同步電動機溫度場計算理論為基礎(chǔ),分析電機損耗、導熱系數(shù)、散熱系數(shù),確定其計算公式,仿真分析永磁同步電動機穩(wěn)定工作時的溫度場分布情況:整個電機中,繞組溫度最高;定子鐵心溫度高于轉(zhuǎn)子;鐵心徑向溫度梯度受散熱能力及導熱系數(shù)影響小于軸向溫度梯度。同時對電機進行溫升實驗,在考慮誤差偏差情況下對比實驗數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù),驗證本文建立的溫度場仿真模型的合理性。

[1] 王淑旺,劉馬林,朱標龍,等.P2混合動力汽車用永磁同步電動機溫度場分析[J].微特電機,2016,44(4):33-36.

[2] 孟大偉,劉瑜,徐永明.潛油電機轉(zhuǎn)子三維溫度場分析與計算[J].電機與控制學報,2009,13(3):367-370.

[3] 李偉力,李守法,丁樹業(yè),等.感應電動機定轉(zhuǎn)子全域溫度場數(shù)值計算及相關(guān)因素敏感性分析[J].中國電機工程學報,2007,27(24):84-91.

[4] 沈建新,李鵬,郝鶴,等.高速永磁無刷電機電磁損耗的研究概況[J].中國電機工程學報,2013,33(3):62-74.

[5] 石晶,魏丹,牟曉松.汽車發(fā)電機溫度場有限元分析與計算[J].微電機,2015,48(5):41-46.

[6] 邰永,劉趙淼.感應電機全域三維瞬態(tài)溫度場分析[J].中國電機工程學報,2010,30(30):114-120.

[7] 程樹康,李翠萍,柴鳳.不同冷卻結(jié)構(gòu)的微型電動車用感應電機三維穩(wěn)態(tài)溫度場分析[J].中國電機工程學報,2012,32(30):82-90.

[8] 丁樹業(yè),郭保成,馮海軍,等.變頻控制下永磁同步電動機溫度場分析[J].中國電機工程學報,2014,34(9):1368-1375.