定子绕组等效模型对电机热计算结果影响研究

万 里，熊 用，祝后权



定子绕组等效模型对电机热计算结果影响研究

万 里，熊 用，祝后权

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

在电机热计算中，由于定子绕组结构比较复杂，一般对其进行相应的等效简化处理，但对相关处理方法的理论支撑及对温升计算结果的影响很少进行深入研究。本文主要针对定子绕组常用的两种等效形式进行相关研究，首先对不同模型进行理论分析，再通过三维仿真计算，对不同形式的温升结果进行评估和对比，得到相关的结论，可用于指导提高电机热计算的准确度。根据仿真结果可知，绝缘材料对定子绕组的散热影响较大，将全部绕组等效为一个整体分布在槽中间，绝缘均匀分布在其周围的假设所得结果最接近实际情况。

定子绕组 等效 网格划分 仿真模型

0 引言

电机的热设计是电机设计的重要部分，它关乎着电机的使用寿命和稳定性等各方面的性能。电机定子绕组结构较为复杂，对它进行实体建模计算会花费大量的时间和精力，一般会根据其结构特点进行等效假设。现在常见的处理方法有两种，一种是将全部的绕组等效为一个整体分布在槽中间，绝缘部分均匀的分布在其周围；另一种等效则是直接将绕组和绝缘等效在一起成为一个整体。不同的简化模型将会导致计算结果的差异，需要对等效模型的准确性和适用条件进行研究，从而评估这些差异带来的影响。本文将针对定子绕组的等效形式进行相关研究，旨在找出相关结论，为后续电机热计算提供参考。

1 国内外研究现状

目前国内外针对电机热设计的研究很多，但很少针对绕组等效假设进行专门研究，大多数文章中都是直接将槽内绕组等效为一个整体分布在槽中心，将绝缘部分简化为均匀分布。

胡萌对船用高功率密度永磁发电机的温度场的分析，直接构造了定转子的整体温度场模型，将双层绕组等效为单层绕组，绕组端部等效为直线形式[1]；史忠震等对电机定子绕组热模型等效方法进行分析研究，根据槽满率将绕组等效为一个整体，外层由绝缘材料包裹[2]；张炳义等对永磁电机热负荷分析，电机是双层绕组，根据假设将上下两层绕组分别等效为两个个整体；胡淑环对永磁电机热计算研究，也是将双层绕组分别等效为两个整体，而且还把槽简化为规则的形状[3]；汪文博研究永磁同步电机的热路模型，将绕组等效为铜导热体，集中分布在槽的中心，槽内的其他材料等效为同质的绝缘到热体[4]；舒圣浪永对高速磁电机温度场与流体场进行了计算研究，把槽内导体等效为均匀铜条，将定子槽内各绝缘以及空气等效为绝缘实体，端部绕组以平均半匝长做平直化处理[5]。

国外A.G.Sarigiannidis等人对牵引用永磁电机的热分析和性能评估中，将电机的绕组等效为一个整体均匀分布在槽中心[6]；B.Funieru对一款牵引用永磁电机进行热设计，对双层绕组分别等效为两个整体均匀分布[7]；AlirezaSiadatan对一型开关磁阻电机的热稳定性进行有限元分析，其中电机绕组直接等效为一个均匀的整体[8]。

由此可见，国内外对电机进行热设计和热分析时，绕组一般都是作整体等效处理，但不足之处是很多文章都没有给出相应的理论证明、适用条件和不同模型对结果偏差。为了进一步研究绕组等效形式的使用范围和有效性，现作相关的研究和讨论。

2 理论推导

2.1 基本模型

根据国内外文中提到的简化假设模型，具体将其归纳为以下两种情况。第一是将所有绕组等效为一个整体，绝缘均匀分布在其四周，称为假设一模型；第二种是将绕组和绝缘等效为一个整体，称为假设二模型。它们的示意图见图1。

2.2 理论推导

根据电机定子的传热路径，现研究其一维导热情况。在X轴方向上，最大温差在模型中间，假设一与原模型由于导热热阻相同，得到的最大温升相同；在Y轴方向上可以分为两种情况，根据导热计算公式，对三种模型的温升理论结果推导如下：

当下端绝热，热量全部沿Y轴正方向传导，此时模型最下端具有最大温差。

原模型的温差为

假设一模型的温差为

假设二模型可以看作是具有内均匀热源Ф的导热问题。

当在Y轴方向上正负同时导热，且上下两端导热条件完全相同时，中间温差最大。

原模型的温差为

假设一的温差为

假设二的温差为

外热源的情况，最大温差可以表示为

2.3 理论结果比较

各假设等效模型的导热最大温差如下表1所示。根据表1可知：当热量在x轴方向上单独传导时，假设一与原模型的最大温差相同，在后面的计算讨论中不再考虑x轴方向上的情况；在y轴方向上单边传热时，假设一与原模型情况一致，双边传热时假设一的最大温差会大于原模型;假设二也要考虑等效导热系数,在与外热源的模型对比时，假设二的最大温差较小。

3 三维仿真计算

3.1模型建立及网格划分

本文的研究对象是一型永磁电机，双层绕组结构。根据上文中的等效方法，建立如下三种仿真模型。

如图2所示为原模型和三种假设等效形式。A表示原模型；B表示假设一，将绕组等效为上下两部分，分别由绝缘包裹；C表示假设二，将上、下层绕组和绝缘分别等效为两个整体；C表示假设三，把所有绕组和绝缘全部等效为一个整体。

利用ICEM-CFD软件对上述四种模型进行结构化网格划分，得到如图3结果。

3.2边界条件设置

在第二和第三种等效模型中，由于将绕组和绝缘都等效为一个整体，所以要计算出它的等效导热系数，具体公式如下。

在进行模型进行仿真时，只考虑铁心上端散热，将其设为散热面，其他壁面设为绝热。绕组导线的生热量给定，具体数据如下表4。

3.3 网格无关性分析

为了验证网格的无关性，现对等效模型三进行不同网格数的仿真，分别将其划分为十万数级网格和五十万数级网格，得到的仿真结果如下图。

由图4可以看出，当等效模型一致，外部传热条件等都相同时，网格数量对最终的传热结果影响甚微。在后面的仿真中，所有模型都采用十万级网格进行计算。

图4 网格数比较

3.4各模型结果对比

根据前文中所得到的各材料的导热系数，取绝缘导热系数，槽楔导热系数和垫块导热系数都取0.2W/（m·K），网格数取十万级，得到的仿真结果如图5。

图5 各模型仿真结果

各种模型所得的结果如表5。

4结束语

1）本文对定子绕组热计算时常用的几种假设进行理论推导和仿真计算，验证了假设的合理性和准确性。2)根据仿真结果可知，假设一所得到的结果最接近原模型，假设二与假设三的结果稍小于原模型。3)各模型的优缺点和适用条件见下表。

[1] 胡萌. 船用高功率密度永磁发电机的温度场研究.[硕士学位论文]. 上海:上海交通大学,2014.

[2] 史忠震. 电机定子绕组热模型等效方法的研究[J]. 制造技术与机床, 2015, 12:103-106.

[3] 张炳义. 潜油泵直驱单元组合式永磁电机热负荷分析[J]. 微电机, 2014, 47(7):1-4.

[4] 汪文博. 永磁同步电机的热路模型研究[硕士学位论文]. 浙江:浙江大学, 2014.

[5] 佟文明, 程血雪斌, 舒圣浪. 高速磁电机流体场与温度场的计算分析[J]. 电工电能新技术, 2016, 35(5):23-28.

[6] A.G.Sarigiannidis,M.E. Performance evaluation and thermal analysis of interior permanent magnet traction motor over a wide load range.IEEE Electrical Machines,doi:10.1109/ICELMACH, 2016. 7732897, 2016.

[7] B. Funieru, A. Binder Thermal. Design of a permanent magnet motor usedfor gearless railway traction. IEEE Industrial Electronics, 2008: 2061-2066.

[8] AlirezaSiadatan,S.H.Mirimani,MahshidShamei,TohidKhalili.Thermal stability Analysis of 6/4 switchreluctance motor using finite element method.International SymposiumonPowerElectronics , 2016 :382-387.

Influence of Stator Winding Equivalent Form on Thermal Calculation of Motor

Wan Li, Xiong Yong, Zhu Houquan

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM34

A

1003-4862（2018）01-0061-04

2017-11-15

万里（1991-），男，硕士研究生。研究方向：电机与电器。