電動車用永磁同步電動機溫度場仿真與實驗分析

魏 丹,付雅軍,段 敏

(遼寧工業大學,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、轉子無電磁損耗等優勢,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,而電機溫度又與永磁體性能、繞組電阻等參數有著密切的關系。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,損壞電機結構。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、結構優化及電機材料合理選擇帶來更科學、準確的參考依據。

本文主要研究5.5 kW永磁同步電動機,根據傳熱學理論分析計算電機損耗、導熱和散熱系數,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 電機參數的確定

1.1 電機基本參數

5.5 kW永磁同步電動機的技術參數和結構參數如表1所示。

表1 樣機技術參數

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據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

鐵心損耗主要體現在鐵心中同時發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為鐵心質量;pper為單位質量損耗;Ka為損耗增加系數。

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

電機的主要導熱介質是定子鐵心、定子繞組和氣隙,所以應確定這三者的導熱系數。

(1)鐵心導熱系數

硅鋼片含硅量的大小和制造工藝的不同對導熱系數有很大影響。含硅量與導熱系數成反比例關系;當鐵心疊裝壓力小于0.5～0.6 MPa時,鐵心導熱系數與疊裝壓力成反比,當超過這一閾值導熱系數趨于穩定;硅鋼片表面處理情況則主要對橫向導熱系數產生影響,表面光滑平整,絕緣分布均勻,導熱系數相對穩定;經多層硅鋼片疊壓而成的鐵心在各層間均涂有絕緣漆,而絕緣漆導熱系數極低,這就造成鐵心徑向導熱系數遠大于軸向導熱系數,稱為鐵心的各向異性導熱媒質特性。鐵心徑向和周向導熱可以等效為多層平壁并聯,軸向導熱可以等效為多層平壁串聯[3]。

(2)定子繞組導熱系數

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

根據以上假設,定子繞組等效導熱系數計算公式[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。

(3)氣隙等效導熱系數

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經驗公式計算。假定轉子靜止,把氣隙中流動的空氣看作靜止的空氣。氣隙有效導熱系數計算方法參考文獻[5]。

1.4 確定表面散熱系數

(1)定、轉子表面散熱系數

定子結構熱量一部分熱量通過定子端面直接散發到電機內部,另一部分熱量通過氣隙傳遞給轉子結構,再由轉子結構散發到周圍空氣中。定、轉子換熱系數按下式計算[6]:

式中:a為散熱系數;V為端面氣體風速。

(2)機座表面散熱系數

機座表面傳熱系數按下式計算[7]:

式中:v為吸入機座內壁風速;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置風扇型,通過以上公式計算,得出機座表面散熱系數為12.99 W/(m2·℃),轉子端面散熱系數為22.2 W/(m2·℃),定子端面散熱系數為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、軸承等對分析結果影響不大的零件,保留機座、定子、轉子、繞組模型、永磁體和轉軸等主要零部件。利用軟件對簡化后的模型進行網格劃分,檢驗網格質量,最終確定網格模型。

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。該圖可直觀體現電機各部分溫度分布,電機最高溫升出現在定子繞組的中部,最高溫度達93.065℃。轉子和永磁體附近溫升相對較低,這是由于轉子損耗較小,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。電機的機殼端面溫度最低,為45.354℃。

圖2 電機穩態時溫度場分布云圖

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 實驗數據分析

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后,認定電機達到穩態,終止實驗。將溫度測試儀記錄下的各時刻實驗數據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,轉子溫度更低,機殼表面溫度最低。實驗測得的電機各部分穩態時最終溫度:定子繞組85℃,定子鐵心69.1℃,轉子58.5℃,機殼44.9℃。

圖4 電機各部分溫升實驗曲線

3.3 對比分析實驗數據與理論數據

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,會使電機出現基于額定工作狀態的少量波動,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,仿真計算數據與實驗數據基本一致,驗證了仿真結果的準確性。

表3 電機溫度場理論值與實驗值的對比

4 結 語

本文以永磁同步電動機溫度場計算理論為基礎,分析電機損耗、導熱系數、散熱系數,確定其計算公式,仿真分析永磁同步電動機穩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子;鐵心徑向溫度梯度受散熱能力及導熱系數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據與理論數據,驗證本文建立的溫度場仿真模型的合理性。

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