某型車用空調電機熱負荷計算

朱森榮 邱揚揚 凌吉生 邱 峰

目前我國的車載空調電機控制技術相對比較落后，國產(chǎn)車載空調系統(tǒng)穩(wěn)定性差，產(chǎn)品質量整體不高[1]。而導致這一現(xiàn)象的一部分原因是空調電機驅動系統(tǒng)整體性能較構成差，根據(jù)設計原理與分類方式的不同，電機的具體構造與成本構成也有所差異。電機是應用電磁感應原理運行的旋轉電磁機械，用于電能向機械能的轉換。運行時從電系統(tǒng)吸收電功率，向機械系統(tǒng)輸出機械功率。而電動機在工作過程中產(chǎn)生的損耗會轉化成熱量導致電動機的溫度升高。但電動機的耐熱性一般較差，過高的溫度將導致電動機的絕緣材料容易老化、變脆，甚至失去絕緣性，從而縮短電動機的使用壽命。因此，對電機熱負荷的計算為以后改善電機的性能提供指導。

1 電機熱負荷基本情況

1.1 電機產(chǎn)生的熱量

電機產(chǎn)生的熱量分成兩部分。

（1）一部分以熱輻射和熱對流的方式散發(fā)到周圍介質中去。

（2）另一部分以熱傳導的方式存儲在電動機內(nèi)部，使電動機的溫度升高。故電機的發(fā)熱和冷卻是選擇電動機容量時最基本的因素。

1.2 電機組成材料的物理屬性

電機的組成材料有釹鐵硼、硅鋼片、鋁合金、繞組等，其物理屬性密度、比熱容、導熱系統(tǒng)如表1 所示。通過分析各組成材料的物理屬性，有利于更好的地解決熱負荷問題。

表1 不同材料的密度、比熱容、導熱系數(shù)

2 電機的發(fā)熱與冷卻

2.1 電機的發(fā)熱

表2 電機的參數(shù)

電機額定功率、負載系數(shù)、效率如上表2 所示，由公式（1）可得出電機的發(fā)熱量為19.444 kW。

2.2 電機的冷卻

冷卻過程中，冷卻介質隨著電機冷卻而升溫。通過表3 數(shù)據(jù)，我們可知空氣系數(shù)溫度升高10℃，水溫升高5℃。

表3 冷卻介質參數(shù)

3 電機熱負荷計算

3.1 電機的升溫計算

3.1.1 電機的升溫

電機的允許溫升τmax主要由電機絕緣材料及電機工作環(huán)境溫度決定。當環(huán)境溫度為40℃。則電機不同等級材料的允許溫升為表4 所示。

表4 不同絕緣等級下電機的允許升溫度

圖1 發(fā)熱升溫曲線

如圖1 所示，電機的負載變化或機械性能變化，電機的單位時間內(nèi)生成的熱量Q 增大，進而增大系統(tǒng)熱平衡溫升τL，系統(tǒng)進入升溫過渡過程。大約經(jīng)過3 倍時間常數(shù)后，τ-τL的差，將縮小為初始值的0.05，若電機的初始溫升τF不同，但經(jīng)過3 個時間常數(shù)后，τ-τL的差，也將縮小為初始值的0.05。

3.1.2 對電機升溫的估算

現(xiàn)在對升溫的估算通常用電機的線負荷和電流密度的成績來衡量[3]。電機的線負荷A 是沿著定子內(nèi)圓每厘米長度內(nèi)的電流數(shù)，cm-1，可由式（2）計算得到。

式中，W 為每相的線圈匝數(shù)，m 為相數(shù)，I 為相電流，D 為定子內(nèi)圓直徑。

電流密度J 是電流強度I 和導體截面S 的比值，mm-2，可由（3）計算得到。

式中，L 為定子線芯長度（m），ρ 為導體電阻率（Ω·mm·m-1）。熱負荷q 可由（5）計算得到。

熱負荷q 也稱作熱流密度，即電樞單位表面的銅耗。它表示定子內(nèi)圓單位表面積所散發(fā)出去的損耗瓦數(shù)。

上式假設了定子線圈直線部分的銅損耗全部通過定子的內(nèi)圓表面散發(fā)出去。

3.1.3 考慮轉子電流熱損耗是電機溫升的估算

滑環(huán)式或鼠籠式轉子在額定負載時的電流損耗QCU2可由（6）計算得到。

式中，P2表示額定功率，Pm表示摩擦和通風損耗，s 表示額定負載時的轉差率。

額定負載時的轉差率s 可由（7）計算得到。

機械損耗Pm和P2相比較小，額定負載時的轉差率S 也比較小，因此可由（8）計算。由轉子引起定子內(nèi)圓表面的單位熱損耗可由（9）計算得到。

假設轉子的電流熱損耗通過空氣隙完全傳導到定子鐵芯上，此時定子內(nèi)圓表面總的單位熱損耗可由（10）計算得到。

3.2 電機的降溫

圖2 散熱降溫曲線

如圖3 所示，電機因負載或機械特性變化，電機單位時間內(nèi)生成的熱量Q 值減少，系統(tǒng)的熱平衡溫升降低，系統(tǒng)進入降溫過渡過程。與電機的升溫過程類似，大約經(jīng)過3 倍時間常數(shù)后，電機溫升與平衡溫升的差即：τ-τL的差也將縮小為初始值的0.05。

3.3 電機的熱平衡方程

溫升τ 表示電機與周圍環(huán)境平均溫度之差。熱平衡溫升τL可由（11）計算得到。

式中，Q 為電機單位時間產(chǎn)生的熱量，A 為電機與環(huán)境間的熱導。

電機的熱平衡溫升τL只與電機單位時間內(nèi)產(chǎn)生的損耗能量有關。若τ=τL，系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)。若τ≠τL，系統(tǒng)處于熱過渡狀態(tài)。處于熱過渡狀態(tài)的拖動系統(tǒng)會逐漸向熱平衡狀態(tài)逼近。

系統(tǒng)過渡態(tài)的熱力學方程可由（12）計算得到。

如果電機的初始溫升為τF，且A、Q、C 皆為常數(shù)，則一階微分方程的解應由（13）計算得到。

式中，Tθ表示系統(tǒng)熱時間常數(shù)。

熱時間常數(shù)Tθ又可由（14）計算得到。

分析熱力學性能的三個參數(shù)A、Q、C，其中A 為正比于電機面積，C 為正比于損耗功率Q 與電機體積。

電熱導與空氣直接接觸，其傳熱過程由輻射、傳導及對流三種方式組合，因此，它與溫升的乘積只有在特定的條件下才等于熱流。故電機尺寸愈大，其熱慣性越大，并且熱平衡溫升愈高，這也是大功率電機必須高效工作的主要原因。對比電機低效運行時的工作狀況：

（1）小功率電機，低效運行，甚至帶負荷直接啟動，由于散熱容易，其后果是浪費能源。

（2）大功率電機：低效運行，有直接燒毀電機的危險。

4 異步電機的損耗

4.1 電機的損耗由以下幾部分組成

定子繞組中電流通過所產(chǎn)生的銅耗q 可由式（15）計算得到。

式中，A 表示電機的線負荷，單位為A·cm-1，J 表示電流密度，單位A·mm-2，ρ 表示導體電阻率，單位為Ω·mm2m-1。

轉子繞組中電流通過所產(chǎn)生的導體（鋁或銅）損耗Pcut可由式（16）計算得到。

式中，m 表示相數(shù)，N 表示每相線圈匝數(shù)，I 表示相電流，ρ表示導體電阻率，L 表示導體有效部分的長度，A0表示導體截面積，J 表示導體電流密度。

鐵心中磁場所產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗PFe可由式（17）計算得到。

式中（1）磁滯損耗ΔPh：磁疇反復轉向使鐵芯發(fā)熱損耗。磁滯損耗與磁滯回線所圍面積成正比。（2）渦流損耗ΔPe：交變磁場使鐵芯產(chǎn)生感應電動勢和渦電流使鐵芯發(fā)熱損耗，稱為渦流損耗。

4.2 降低損耗提高效率的途徑

為了防止損耗對電機效率的影響，我們必須采取措施來降低損耗帶來的危害。其方法有（1）降低定子繞組中電流通過所產(chǎn)生的銅耗q；（2）降低轉子繞組中電流通過所產(chǎn)生的導體（鋁或銅）損耗Pcut；（3）增加有效材料，降低繞組損耗Pcut和鐵耗PFe；（4）采用較好的磁性材料和工藝措施以降低鐵耗PFe。

5 結論

通過對不同電機材料受熱性能分析及電機的升溫、降溫和熱平衡方程的計算，找到最適合電機工作的溫度及環(huán)境。電機在各方面的損耗也有相應的解決方式，損耗的降低提高了電機的效率。電機性能的提高對車載空調的效率優(yōu)化起到了至關重要的作用，也為汽車行業(yè)的發(fā)展提供了動力。