永磁電機在額定負載時轉(zhuǎn)子溫度場分析

辛建軍

(牡丹江大學，黑龍江牡丹江 157011)

為了校核數(shù)值計算結(jié)果的準確性，本研究將采用具體的試驗來測量電動機轉(zhuǎn)子槽楔、鐵心、銅片以及永磁體的溫度，電動機溫度的測量點分別如圖1所示。

圖1 電機溫度的測量位置

利用確定永磁電動機電磁損耗的基本方法，在電機損耗準確計算的基礎(chǔ)上，把所得的熱源代入溫度場求解程序，并采用有限元法計算電機額定負載運行時的穩(wěn)態(tài)溫度分布。在試驗過程中，由于D點傳感器故障，故未給出測量值。其余各測量點溫度的計算值和實驗值的比較如表1所列。此時，電動機試驗環(huán)境的溫度為27℃。

表1 溫度場計算與實測結(jié)果對比

從表1可以看出，在電動機的不同溫度測量位置，溫度場的計算結(jié)果和實驗結(jié)果比較一致，完全能夠滿足工程計算的要求，并且驗證了轉(zhuǎn)子附加損耗計算和溫度場模型的準確性和工程實用性。圖2為求解域的溫度分布。

從圖2中可以看出:

1.電動機轉(zhuǎn)子溫度沿著周向呈對稱分布。這是由電動機的結(jié)構(gòu)形成的結(jié)果，在求解域的確定過程中，由基本假設(shè)可知電動機的結(jié)構(gòu)式對稱的方式。

圖2 求解域的溫度分布(℃)

2.最高點位于鐵心，其溫度數(shù)值為84℃左右;槽楔處溫度最低，其數(shù)值結(jié)果為80℃左右，且轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫差較小。由于電動機轉(zhuǎn)子一個封閉的區(qū)域內(nèi)運行，轉(zhuǎn)子的散熱僅僅依靠轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)在其表面所產(chǎn)生的對流效應(yīng)進行，而此散熱系數(shù)數(shù)值較小。溫度高低部分的結(jié)果則是由于電機損耗分布的特性造成。

3.從計算數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果的比較來看，二維溫度場的數(shù)值計算結(jié)果與實際溫度趨勢一致，能如實反映轉(zhuǎn)子各部分的溫度分布。

為了進一步考察永磁電動機轉(zhuǎn)子溫度場的分布特性，將電動機的轉(zhuǎn)子局部溫度分布分別提取出來，電動機的鐵心、銅片、永磁體以及槽楔等局部溫度分布分別如圖3、4所示。

從圖3中可以看出，最高溫度出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子鐵心表面，這是由于轉(zhuǎn)子附加損耗主要集中在鐵心表面的緣故。由于與槽楔接觸，靠近槽楔處鐵心溫度逐漸降低。銅片與鐵心接觸面積較大，而且各自的導熱系數(shù)很大，故銅片與鐵心溫差較小。由于與氣隙對流換熱的影響，銅片靠近轉(zhuǎn)子表面一端溫度較低，隨著埋入轉(zhuǎn)子深度加深，溫度增加。從圖4可以看出，最低溫度出現(xiàn)在槽楔處，與實驗結(jié)果相吻合。永磁體上表面與槽楔接觸，溫度稍低。其余部分與鐵心緊密結(jié)合，故而接近鐵心溫度。

圖3 鐵心和銅片的溫度分布(℃)

圖4 永磁體和槽楔的溫度分布(℃)

1.不帶風扇運行時溫度場分析。

永磁材料的磁性能與永磁電機的運行性能密切相關(guān)。本文多研究的永磁電動機采用的永磁體材料為釹鐵硼，它的允許工作溫度為150℃。由于釹鐵硼的溫度系數(shù)很高，造成其磁性能熱穩(wěn)定性較差，因而在高溫工作時可能造成不可逆退磁。為了更大限度地分析電動機的熱性能，本文研究了電機不帶風扇運行時，轉(zhuǎn)子各部分特別是永磁體的溫升情況。表2為電機不帶風扇運行時，各測量點溫度的計算值和實驗值的對比情況，環(huán)境溫度為27℃。

表2 溫度場計算與實測結(jié)果對比

通過對以上數(shù)值計結(jié)果的分析研究可以看出:

(1)溫度場的計算結(jié)果和實驗結(jié)果較好吻合;

(2)由于電機不帶風扇運行，機殼表面散熱較慢，間接導致氣隙溫度升高，因此此時轉(zhuǎn)子各部分溫度較帶風扇時顯著升高;

(3)電動機永磁體實測溫度為136.4℃，低于其允許工作溫度，說明電機不帶風扇運行時，永磁體仍然不會產(chǎn)生不可逆退磁，電機仍然可以正常工作。

圖5為電動機不帶風扇運行時求解域的溫度分布，而圖6、7為不帶風扇運行時電動機轉(zhuǎn)子局部溫度分布情況。

將在此情況下的溫度場數(shù)值計算的相應(yīng)結(jié)果圖5、6、7與以上計算的結(jié)果圖2、3、4進行對比可知:該永磁電動機轉(zhuǎn)子二維溫度場的整體以及轉(zhuǎn)子各部分的溫度分布趨勢以及規(guī)律與電動機帶風扇運行時相一致，最高溫度均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子鐵心部位，而電動機的最低溫度均出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子的槽楔位置處。

圖5 求解域的溫度分布(℃)

圖6 鐵心和銅片的溫度分布(℃)

圖7 永磁體和槽楔的溫度分布(℃)

2.附加損耗對轉(zhuǎn)子溫度場的影響。

在本論文的研究中，為了進一步研究附加損耗對轉(zhuǎn)子溫度場的影響情況，在保持電機結(jié)構(gòu)恒定不變的條件下，通過改變鐵心材料參數(shù)來改變轉(zhuǎn)子表面附加損耗，進而分析附加損耗的變化對轉(zhuǎn)子溫度分布的影響。

分別取附加損耗為電機額定負載時附加損耗的倍，對鐵心和永磁體的最高溫度分布進行研究。圖8給出了電機轉(zhuǎn)子溫度隨附加損耗的變化曲線，環(huán)境溫度為27℃。

圖8 附加損耗對轉(zhuǎn)子溫度場的影響

通過對圖8的分析研究可以看出，附加損耗對轉(zhuǎn)子溫度影響顯著，永磁體溫度和鐵心溫度接近，且與附加損耗近似成線性變化。

綜上，根據(jù)永磁電動機的結(jié)構(gòu)特點，在基本假設(shè)的基礎(chǔ)上，建立了永磁電動機轉(zhuǎn)子二維溫度場求解模型。通過溫度場微分方程的建立以及各類邊界條件的給定，特別是相應(yīng)的損耗、散熱系數(shù)的確定。采用有限元法對永磁電動機轉(zhuǎn)子二維溫度場進行了數(shù)值求解，并將數(shù)值計算結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)進行了對比研究，佐證了本論文所采用的研究方法的合理性以及求解域確定的正確性。

［1］張新波，許承千.電機三維溫度場的綜合分析［J］.電工技術(shù)雜志，2000(3):4～6.

［2］裴遠航.汽輪發(fā)電機定子溫升分布的三維有限元分析［J］.大電機技術(shù)，1992(5):24～28，31.

［3］張大為，湯蘊璆，等.大型水輪發(fā)電機定子最熱段三維溫度場的有限元計算［J］.哈爾濱電工學院學報，1992(3):186～194.

［4］孔祥春，付敏.水輪發(fā)電機轉(zhuǎn)子中部最熱段三維溫度場的有限元計算［J］.哈爾濱理工大學學報，1996，1(1):53～59.