小型永磁同步电机温度场分析中几个关键问题的解决方法

上海电气技术

JOURNALOFSHANGHAIELECTRICTECHNOLOGY

Vol.2No.3Sep.2009

文章编号:1674540X(2009)0305003

小型永磁同步电机温度场分析中

几个关键问题的解决方法

陈

远1,

樊亚东1,

江

政1,

程

程2

(1.武汉大学,武汉430072;

摘

2.华中科技大学,武汉430074)

要:为优化小型永磁电机的设计,就小型永磁同步电机温度场分析计算中的几个关键问

题)))热源、复合材料的导热系数、散热面的散热系数等的分析和计算提出了解决方法。

关键词:永磁电机;温度场;导热系数;传热系数

中图分类号:TM351.014

文献标识码:A

SomeWaysofSolvingtheKeyProblemswhenAnalysingtheTemperature

FieldinthePermanentMagnetSynchronousMotor

CHENYuan,FANYadong,JIANGZhen,CHENGcheng

(1.WuhanUniversity,Wuhan430072,China;

2.HuazhongUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430074,China)

Abstract:Inthispaper,solvingmethodsforthemainaspects,suchasthermalsources,theequivalentconductivitycoefficientoftheslot,convectioncoefficientsofsomeimportantsurfaces,oftemperaturefieldofsmallsizepermanentmagnetmotorsareinvestigated.

Keywords:permanentmagnetmotors;temperaturefield;equivalentconductivitycoefficient;convectioncoefficients

1

1

1

2

与传统的电励磁电机相比,永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、损耗小、效率高、电机的形状和尺寸灵活多样等显著优点。它既可达到传统电励磁所无法比拟的高性能,如高转矩、单位体积高输出功率、气隙高的磁密度、高响应度,可以制成能满足特定运行要求的特种机,如电梯曳引电机、汽车、摩托的专用电机等。因此其应用范围极为广泛,遍及航空、航天、国防、装备制造、工农

业生产和日常生活的各个领域。

准确的温度场分析对小型永磁电机的优化设计是很有必要的。一般地,温度场的分析都采用有限元法(FEM),这种方法把小型电机作为一个整体进行分析。可以分析出电机各部分温度场的分布,特别最热部分的温度场分布,这对于电机散热系统的优化设计或判断散热系统的性能起到指导作用。而FEM对温度场进行分析时,关键的几个问题是

[1,2]

收稿日期:20090820

作者简介:陈远(1988),男,电力系统与自动化专业本科在读,从事电力系统与自动化研究,

E-mail:chenyuan880803@163.com

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陈远,等:小型永磁同步电机温度场分析中几个关键问题的解决方法

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要准确地计算出热源(定子铜耗、铁耗)、定子槽和铁心的等效导热系数和一些重要的散热面如外壳、铁心散热通道内壁、气隙表面的传热系数。本文就这几个方面进行讨论,提出了解决问题的一些方法。

2外壳的表面散热系数的计算

对流换热实际上是热传导和热对流2种机理联

合作用下的流体(永磁电机中一般为水或空气)与固体表面之间的热量交换过程。影响对流的主要因素包括流体的流动状态、流体的热物理性质(导热系数、粘度、密度和比热容)与散热固体表面的几

何参数。

1用FEM计算稳态温度场的控制方程

对各向异性介质,JxXJyXJz,在直角坐标下的

稳态温度场固体导热偏微分方程为5Jx53555x5x

+

Jy53

5y5y

+

Jz53

5z5z

=-qv

(1)

式中,T为物体的温度;J为材料导热系数;qv为内热源强度。

对导热微分方程的求解可以归为一个边值问题

555

5xJx

3

5x

+

5y

Jy

535y

+

55z

Jz

53

5z

=-qv

3|#

=3X

-J535n#

=q(2)

2

-J53

5n

#

=A(3-

3f)#

式中:#为物体边界,为逆时针方向;3X为已知表面温度或已知温度函数;q2为已知热流密度或已知热流密度函数;A,3f分别是换热系数和换热面温度,

为常数或某种随时间和位置变化的函数。

对应于式(2)的等价变分为J(m

12

2

2

3)=

y53

3

V

2Jx535x+J5y+Jz55z

-

qvdV-

k

q23dS+

k

A(322

-23f3)dS3s=30

(3)

式中,V为求解域;S为V的边界。

把整个求解域V剖分成ne个单元,则总体泛函

表达式为

ne

J(T)=

e

)

(4)

eEJ

(T=1

当泛函J达到极值时,总体系数矩阵方程

[kT][T]=[F]

(5)

式中,[T]为求解域内全部节点温度所形成的温度列阵,由此可得到各节点的温度值。可知,要准确计算永磁电机的温度分布,应准确计算J、qv和A。

对流换热现象本身的复杂性和过多的影响因素,以及各影响因素之间相互制约的特点使得表面散热系数的确定一直是个难题。按照相似理论,能够把所有影响因素以一定的方式组合成少数几个无量纲数组,即相似特征数。相似特征数包括:雷诺数Re描述流体的流动状态;普朗特数Pr表示流通动量扩散和热量扩散能力的相对大小;努赛尔数Nu表示壁面上的无量纲过余温度梯度,属于待定特征数,与壁面的传热系数密切相关[3,4]。

由相似原理,描述物理过程的微分方程的积分结果可以用相似特征数的函数关系来表示。对于湍流对流换热,Nu是壁面、流体温差和流体物性的初级函数;而层流对流换热,Nu是流体速度和物性的初级函数,是温度的次级函数。

对强迫对流:

Nu=f(Re,Pr)

而自然对流:

Nu=f(Gr,Pr)Nu=A

l

(6)

K

式中,K是流体的导热系数;l是等效几何尺寸。由式(6)可以确定传热面的传热系数。

小型永磁电机由于单位体积发热较高,故外壳是散热的重要部分,外壳散热一般采用水冷和风冷2种方式,水冷管可以是沿径向盘绕着的扁平水管,如图1所示,也可以是沿径向排列的水管,如图2所示。表面换热是自然对流换热和强迫对流换热2种形式相互交错排列换热的结果,其外壳的等效散热系数可以用以下方法计算:

Ae=

A1AA1A2

1+A2+A1+A2

A2

(7)

其中,A1为水冷换热面积(图中阴影部分);A2为风冷换热面积(图1中空白部分);A1,A2分别为A1和

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上海电气技术

2009年第3期

A2各自的传热系数。数的计算,采用等效为方形线棒后再计算其等效导3热源的分析

电机温度场的热源主要来源于电机内的各种

损耗,大致可分为4类:机械损耗、铜耗、铁耗和附加损耗。在定子铁芯温度场计算中,热源主要是铜耗和铁耗,铜耗和定子电流有关,而铁耗与电机的电磁场分布有关。在分析温度场时,齿部和轭部的磁场强弱有很大差别,所以要分开计算,最后转换为单位体积的发热率。

4定子槽等效导热系数的计算

定子槽里一般放置2个线圈,每个线圈由多个涂油绝缘漆的柱状细铜棒和绝缘层组合而成。所以在求解域中,由于存在多种导热体,且每种材料的几何尺寸很小,用FEM计算其温度场时,不能对每种材料所在的空间进行剖分,故将其视为一个整体。因此,准确地计算各导热体的导热系数对温度场的求解精度是至关重要的。由能量守恒定理,对多层导热体其等效导热系数有

n

JiED

i

=13=

n

D(8)

ii=E

1

Ji

式中,Di为每层导热体的厚度;Ji为每层导热体的导热系数。

对小型永磁电机线圈柱状线棒的等效导热系

热系数,还要考虑到气隙和填充物的影响,如图3所示。图3中,Di为线棒单元的边长;Dic为等效方形线棒金属部分边长。

图3定子槽与线圈等效导热系数计算的示意图

5算例

以一设计中的小型永磁电机作为分析对象,额定运行时,实测线圈中最高温度138e。图4为ANSYS计算结果,定子部分计算结果和实测吻合较好,说明上述等效方法有效。

图4算例温度场分布(局部)

参考文献

[1]罗

阳.稀土永磁电机开发的新进展[J].电气技术,

2006(1):11

12.

[2]黄苏融,钱慧杰,张

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