电动车用永磁同步电动机温度场仿真与实验分析

魏 丹,付雅军,段 敏

(辽宁工业大学,锦州121001)

0 引 言

永磁同步电动机由于具有瞬时功率高、效率高、转子无电磁损耗等优势,应用范围不断扩大。永磁同步电动机的温度与电机的输出效率、过载能力,甚至是电机的运行安全直接相关,而电机温度又与永磁体性能、绕组电阻等参数有着密切的关系。电机温度过高、温升过快,会使永磁体不可逆退磁或者使绕组绝缘损坏,引起短路,损坏电机结构。电机温度过低,不能充分利用电机材料性能,带来过多的性能冗余,提高了生产成本。因此,对永磁同步电动机各部分温度场的准确分析,将给电机性能改善、结构优化及电机材料合理选择带来更科学、准确的参考依据。

本文主要研究5.5 kW永磁同步电动机,根据传热学理论分析计算电机损耗、导热和散热系数,建立电机有限元模型并对模型进行等效简化,通过仿真计算,分析额定状态下永磁同步电动机的温度场。搭建该型电机的温升实验台,采用热电偶法对电机运行时各部分温升值进行连续采集,与理论值进行比对,验证该仿真方法的正确性。

1 电机参数的确定

1.1 电机基本参数

5.5 kW永磁同步电动机的技术参数和结构参数如表1所示。

表1 样机技术参数

1.2 确定电机损耗

(1)机械损耗

电机机械损耗多通过试验数据进行估算或近似计算。其中滚动轴承摩擦损耗计算表达式[1]:

式中:F为滚动轴承载荷;v为滚珠线速度;d为轴承内滚珠直径。

(2)绕组损耗

多绕组电机绕组损耗计算表达式:

式中:Ix为电流;Rx为电阻。

(3)铁心损耗

铁心损耗主要体现在铁心中同时发生的磁滞损耗和涡流损耗上。损耗计算表达式[2]:

式中:pFe为铁心损耗;GFe为铁心质量;pper为单位质量损耗;Ka为损耗增加系数。

以上3种电机损耗中,铁心损耗和绕组损耗占有较大的比重,而机械损耗比重较小,可忽略不计。

1.3 确定导热系数

电机的主要导热介质是定子铁心、定子绕组和气隙,所以应确定这三者的导热系数。

(1)铁心导热系数

硅钢片含硅量的大小和制造工艺的不同对导热系数有很大影响。含硅量与导热系数成反比例关系;当铁心叠装压力小于0.5～0.6 MPa时,铁心导热系数与叠装压力成反比,当超过这一阈值导热系数趋于稳定;硅钢片表面处理情况则主要对横向导热系数产生影响,表面光滑平整,绝缘分布均匀,导热系数相对稳定;经多层硅钢片叠压而成的铁心在各层间均涂有绝缘漆,而绝缘漆导热系数极低,这就造成铁心径向导热系数远大于轴向导热系数,称为铁心的各向异性导热媒质特性。铁心径向和周向导热可以等效为多层平壁并联,轴向导热可以等效为多层平壁串联[3]。

(2)定子绕组导热系数

为了简化计算,对定子槽做如下假设[3]:浸渍漆填充均匀,浸渍状态良好;槽绝缘与铁心结合的相当紧密;绕组铜线最外层的绝缘漆涂抹均匀;忽略槽内各导线之间的温差。

根据以上假设,定子绕组等效导热系数计算公式[4-5]:

式中:δi为绝缘材料等效厚度;λeq为绝缘材料平均导热系数。

(3)气隙等效导热系数

气隙中空气的流动情况非常复杂,难以准确描述,所以实验中气隙交换能力常依据经验公式计算。假定转子静止,把气隙中流动的空气看作静止的空气。气隙有效导热系数计算方法参考文献[5]。

1.4 确定表面散热系数

(1)定、转子表面散热系数

定子结构热量一部分热量通过定子端面直接散发到电机内部,另一部分热量通过气隙传递给转子结构,再由转子结构散发到周围空气中。定、转子换热系数按下式计算[6]:

式中:a为散热系数;V为端面气体风速。

(2)机座表面散热系数

机座表面传热系数按下式计算[7]:

式中:v为吸入机座内壁风速;q为机座壁外表面的温度。

本文所研究的永磁同步电动机采用的冷却方式是内置风扇型,通过以上公式计算,得出机座表面散热系数为12.99 W/(m2·℃),转子端面散热系数为22.2 W/(m2·℃),定子端面散热系数为15.2 W/(m2·℃)。

2 电机温度场仿真分析

2.1 有限元模型的建立

采用CATIA软件进行电机三维建模,再将模型导入Ansys workbench 14.0中,电机整体分析模型如图1所示。为了计算方便,对电机模型进行简化,忽略螺栓、轴承等对分析结果影响不大的零件,保留机座、定子、转子、绕组模型、永磁体和转轴等主要零部件。利用软件对简化后的模型进行网格划分,检验网格质量,最终确定网格模型。

图1 电机整体分析模型

2.2 温度场仿真分析

本文主要研究永磁同步电动机稳定运行时温度场分布情况,施加载荷和边界条件后可得到该工况下温度场云图,如图2所示。该图可直观体现电机各部分温度分布,电机最高温升出现在定子绕组的中部,最高温度达93.065℃。转子和永磁体附近温升相对较低,这是由于转子损耗较小,永磁体本身导热性能较差。电机定子铁心轴向的最高温度77.162℃,径向温度差异小于轴向温度差异,这是由于电机铁心为各向异性导热媒质。电机的机壳端面温度最低,为45.354℃。

图2 电机稳态时温度场分布云图

3 样机温升实验

3.1 温升实验方案

采用埋置检温计法,将热电偶的工作端埋置在理论分析中温度较高部位和内部不易到达部位,热电偶的自由端通过测温线与温度测试仪相连。温升试验的实验条件如表2所示,搭建的整个电机温升实验台如图3所示。

表2 温升实验条件

图3 电机温升的实验平台

3.2 实验数据分析

实验平台搭建完成后,运行工作2 h,温度测试仪显示各温度值趋于平稳后,认定电机达到稳态,终止实验。将温度测试仪记录下的各时刻实验数据导入软件中绘制电机各部分温升实验曲线,如图4所示。定子绕组的温度最高,其次是定子铁心,转子温度更低,机壳表面温度最低。实验测得的电机各部分稳态时最终温度:定子绕组85℃,定子铁心69.1℃,转子58.5℃,机壳44.9℃。

图4 电机各部分温升实验曲线

3.3 对比分析实验数据与理论数据

由于无法精确控制电机实际运行中不受外界条件干扰,如电流小幅度波动,会使电机出现基于额定工作状态的少量波动,而温度测量仪等实验仪器同样存在测量误差。所以实验值与理论值必然会出现一定偏差。电机温升实验的实验值与理论值如表3所示,温度最高的是定子绕组,最低的是机壳表面,差值最大的是定子铁心温度11.7%,差值最小的是机壳表面温度1%,差值都在12%以下,仿真计算数据与实验数据基本一致,验证了仿真结果的准确性。

表3 电机温度场理论值与实验值的对比

4 结 语

本文以永磁同步电动机温度场计算理论为基础,分析电机损耗、导热系数、散热系数,确定其计算公式,仿真分析永磁同步电动机稳定工作时的温度场分布情况:整个电机中,绕组温度最高;定子铁心温度高于转子;铁心径向温度梯度受散热能力及导热系数影响小于轴向温度梯度。同时对电机进行温升实验,在考虑误差偏差情况下对比实验数据与理论数据,验证本文建立的温度场仿真模型的合理性。

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