表貼式永磁同步電動機降低溫升的分析與措施

陳　立

(浙江西爾康電梯部件有限公司，浙江 臺州　317500)

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表貼式永磁同步電動機降低溫升的分析與措施

陳立

(浙江西爾康電梯部件有限公司，浙江 臺州317500)

摘要：針對樣機空載電流過大、溫升過高、效率低下等問題，通過有限元分析，找出電機溫升增高的主要原因，采取措施減少銅耗和鐵耗，提高了永磁同步電動機效率，降低了電機的溫升。

關鍵詞：表貼式永磁同步電動機； 發熱； 損耗； 效率

0引言

電機效率是一個重要電機的設計和制造的性能指標。效率的高低取決于電機在運行時所產生的損耗，而這些損耗轉變為熱能，使電機各部分的溫度升高，影響電機的運行和使用壽命，故須從設計上減少電機中產生的損耗，增加電機的散熱能力。近年來業內為提高材料利用率和產業自動化而開始向單齒沖疊鐵心、集中繞組發展。這就給設計、工藝提出了更多更高的要求。電機損耗和溫升的控制是一個普遍需要解決的問題。

1電機的損耗及效率

能量守恒定律指出： 能量即不能產生也不能消亡，只能發生形式的轉換。對于以磁場作為主要儲能機制的電機來說，能量流程可以表示為

電源輸入的能量=機械能量輸出+

磁場儲能的增量+轉換為熱的能量

轉換為熱的能量即為電機中的損耗。對于本文涉及的永磁同步電動機[1-2]可分： (1) 定子鐵心中的基本鐵耗；(2) 空載時鐵心中的附加(或雜散)損耗；(3) 機械風摩損耗；(4) 繞組銅耗；(5) 負載時的附加(或雜散)損耗。

以上(1)、(2)、(3)項為空載損耗[3-5]，在電機空載試驗中，空載電流很小，其引起的空載銅耗可以忽略不計，空載輸入功率全部降在這3項上，而其中第(1)項基本鐵耗在磁路計算中也易得出，第(2)項附加鐵耗就不易計算。(4)、(5)項為負載損耗，是在負載情況下產生的。電機在運行過程中產生的損耗越大，則輸出功率就越小，效率就越低。

2定子電樞繞組中的銅耗

電機基波電流在繞組電阻上產生的損耗為Pcu=3I2R。該銅耗可用負載電流和繞組電阻計算得出。

在表貼式永磁同步電動機[6]中，由于磁極磁場并不是完全按正弦規律分布，故定子繞組內的感應電動勢也不完全是正弦波形，除了基波以外還包含著一系列諧波，其有效值為

以24極90槽為例： 每極每相槽數q=11/4時，3次諧波繞組系數：

以24極27槽為例： 每極每相槽數q=3/8，y1=1時，3次諧波繞組系數：

同樣都接成Δ接，但因27槽電機3次諧波繞組系數大于90槽電機3次諧波系數，繞組中產生的附加銅損耗也增加，從而電機的溫升也有所增加。把27槽電機的三相繞組從Δ接改為Y接后結果如表1所示。

表1　Δ/Y接實測數據比較

3定子鐵耗的影響

通過被測電機的空載電流及空載功率可看出，鐵耗引起的溫升也很大。為了定子齒疊壓的緊固和整齊，一般采用鉚釘、銷釘、焊接等方法。這個樣機用銷釘緊定。做電磁路計算時，常分別計算定子鐵心的齒、軛部的鐵損耗，然后相加而得基本鐵耗。

基本鐵耗是由主磁通交變引起磁滯即渦流產生的。按式(1)計算：

(1)

式中：K——考慮鐵心加工、磁通密度分布不均勻等因素使損耗增加的修正系數；

p1/50——當磁通密度為1T及頻率為50Hz時鐵心材料的單位損耗；

B——磁通密度；

f——磁通交變頻率；

GFe——鐵心質量。

鐵心的磁滯損耗系數ph=σhfB2，σh是取決于硅鋼片材料性能的常數，對于整體沖片疊壓和單齒沖片疊壓的電機來說材料性能和磁密都沒有多大區別。

在有限元分析時，開始只考慮到磁場的主磁通通過鐵心時的情況，齒中心處的磁密很低，銷釘處不會感生多少渦流，如圖1圈內所示。

圖1　主磁通路徑

在不同的位置，漏磁通的路徑又是另外一種情況，這里磁密很高，如圖2圈內所示。

圖2　漏磁通路徑

銷釘長度長于電機定子長度，根據上述渦流損耗的公式推理，銷釘的長度是沖片厚度的百倍之多，此處漏磁磁密也很高，將是定子鐵心中渦流損耗增加的根源。隨后用有限元對每個銷釘分別進行分析。

第1步： 對外圈的鋼銷釘做分析，如圖3、圖4所示，外圈單根銷釘的渦流損耗平均值為8W。

第2步： 對內圈鋼銷釘做分析，如圖5、圖6所示，內圈單根銷釘的渦流損耗平均值為0.016W。

第3步： 對中圈鋼銷釘做分析，如圖7、圖8所示，中圈單根銷釘的渦流損耗平均值為0.059W。

圖3　所選銷釘位置

圖4　外圈單根銷釘的渦流損耗

圖5　所選銷釘位置

圖6　內圈單根銷釘的渦流損耗

圖7　所選銷釘位置

圖8　中圈單根銷釘的渦流損耗

從有限元分析來看，主要的渦流損耗是由外圈的鋼銷釘引起，也驗證了在圖2中看到的情況。這里較其他兩個銷釘靠近磁場氣隙，沒有鉸鏈定子繞組的漏磁密較高，因而磁場交變時感生的渦流也大，所以它的損耗就比中圈的銷釘大上百倍。

在沒有進入自動化大批量生產前，定子齒鐵心的疊壓工藝往往是用鉚釘兩端鉚接、沖片周邊焊接、銷釘兩端焊接。取消了外圈的銷釘，重新做一臺樣機如圖9所示。

圖9　去掉外圈銷釘

實測之后得出數據如表2所示。

表2　實測數據比較

從實測數據可看出，外圈銷釘引起的渦流損耗很大，增加了附加鐵耗，降低了效率。

4結語

以表貼式三相永磁同步電動機為例，在電機繞組和定子鐵心中找到引起電機溫升高的主要根源，通過結構設計及工藝工裝的改進，解決了單齒集中式繞組電機溫升高、效率低的難題。

【參 考 文 獻】

[1]唐任遠.現代永磁電機理論與設計[M].北京： 機械工業出版社，1997.

[2]王秀和.永磁電機[M].北京： 中國電力出版社出版，2007.

[3]胡笳，趙海森，劉明基，等.永磁電機鐵芯損耗的時步有限元時空離散策略[J].電機與控制應用，2010，37(9)： 1-7.

[4]羅洪浩，廖自力.永磁電機齒槽轉矩的諧波分析與最小化設計[J].電機與控制學報，2010，14(4)： 36-40.

[5]張洪亮.永磁同步電機鐵心損耗與暫態溫度場研究[D].哈爾濱： 哈爾濱工業大學，2010.

[6]徐永向，胡建輝，鄒繼斌.表貼式永磁同步電機轉子渦流損耗解析計算[J].電機與控制學報，2009，13(1)： 63-66.

Analysis and Measures of Reduce Temperature for Surface-Mount

Permanent Magnet Synchronous Motor

CHENLi

(Zhejiang XIERK Elevator Parts Co.， Ltd.， Taizhou 317500， China)

Abstract：To solve the problem of no-load current too big， temperature rise too high， low efficiency of permanent magnet machine. Through finite element analysis， find the main causes of elevated temperature rise of the motor， Measures to reduce the copper losses and iron losses， improve efficiency of permanent-magnet synchronous motors， reducing the temperature rise of the motor.

Key words：surface-mounted permanent magnet synchronous motor； fever； loss of energy； efficiency

收稿日期：2015-06-30

中圖分類號：TM 351

文獻標志碼：B

文章編號：1673-6540(2016)02- 0083- 04

作者簡介：陳立(1985—)，男，本科，研究方向為永磁同步電機設計，曳引機開發設計。