永磁式同步電機(jī)熱分析研究綜述

劉文娟，潘 超，米 儉

(1.遼寧省電力有限公司 運(yùn)維檢修部，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

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永磁式同步電機(jī)熱分析研究綜述

劉文娟1，潘 超2，米 儉2

(1.遼寧省電力有限公司 運(yùn)維檢修部，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.東北電力大學(xué) 電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

對(duì)永磁同步電機(jī)的損耗和溫度場(chǎng)進(jìn)行研究綜述。介紹了永磁同步電機(jī)不同部位散熱的分析和測(cè)定方法，并詳細(xì)說明了關(guān)鍵參數(shù)量測(cè)的實(shí)驗(yàn)方法。最后給出計(jì)算關(guān)鍵參數(shù)的方法，從而構(gòu)造更精確的集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)模型。

磁損耗；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；有限元分析；永磁式同步電機(jī)

有新型永磁材料的永磁同步電機(jī)(PMSM)由NdFeB(Neodymium，Iron，Boron)和SmCo(Samarium，Cobalt)的稀土材料組成，具有高效率、高功率因數(shù)和高功率密度等優(yōu)點(diǎn)。然而，由于稀土價(jià)格的增加以及80%的稀土材料分布在中國(guó)，設(shè)計(jì)者們已開始探尋新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以減少稀土永磁材料在設(shè)計(jì)中的用量。設(shè)計(jì)人員著手研發(fā)同步磁阻電機(jī)(SynRM)；其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)沒有永磁部分，因此具有成本低的優(yōu)點(diǎn)。另一方面，同步磁阻電機(jī)與永磁同步電機(jī)相比，具有較低的功率密度、效率和功率因數(shù)。設(shè)計(jì)者們?cè)缫炎⒁獾?，如果在同步磁阻電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)內(nèi)部加入一些永磁材料，會(huì)對(duì)電機(jī)的效率、凸極比和功率因數(shù)產(chǎn)生巨大的影響。這種新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被稱為永磁輔助式同步磁阻電機(jī)(PMASynRM)，并具有數(shù)個(gè)自己的優(yōu)點(diǎn)，例如高凸極比、高功率因數(shù)、高效率以及對(duì)低成本的鐵氧體鐵磁材料的利用。這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)結(jié)合了同步磁阻和內(nèi)部永磁電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在電動(dòng)車牽引應(yīng)用中備受歡迎[1-2]。

永磁材料的應(yīng)用和熱應(yīng)力下的不可退磁性，使得對(duì)永磁輔助式同步磁阻電機(jī)熱場(chǎng)設(shè)計(jì)的研究變得十分重要。熱應(yīng)力由電機(jī)的損耗產(chǎn)生，以永磁體材料中的熱能和溫升的形式存在。高溫下的永磁材料保護(hù)方法分為兩種：第一種是考慮如何通過對(duì)電機(jī)不同部位的電磁設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化來減少損耗；第二種是關(guān)于電機(jī)的熱分析，通過選擇合適的冷凝系統(tǒng)來散發(fā)電機(jī)中的損耗[3]。

現(xiàn)如今由于客戶對(duì)高效率、小型化、緊湊型電機(jī)的需求日益上升，對(duì)設(shè)計(jì)者來說電機(jī)的溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)變得更具有挑戰(zhàn)性。過去的電機(jī)溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)看起來并不重要并且易于實(shí)現(xiàn)，這些結(jié)論是通過比較一定數(shù)量的電機(jī)電磁設(shè)計(jì)與溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)得出的。其原因顯而易見，電機(jī)設(shè)計(jì)者是電氣工程專業(yè)，而溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域與機(jī)械工程有關(guān)。電機(jī)的熱分析比電磁設(shè)計(jì)更為復(fù)雜。一個(gè)電機(jī)的熱場(chǎng)模型與制造過程直接相關(guān)；與電磁設(shè)計(jì)相比，電機(jī)的熱分析始終是一個(gè)三維問題。在某些熱力學(xué)現(xiàn)象中，電機(jī)的熱現(xiàn)象不能用純粹的數(shù)學(xué)關(guān)系來描述[3-4]。

本文的主要目的是介紹永磁輔助式同步磁阻電機(jī)中的損耗，基于解析集總參數(shù)法和其它電機(jī)熱場(chǎng)研究的經(jīng)驗(yàn)來計(jì)算分析電機(jī)關(guān)鍵部位的熱損耗。

1 損 耗

永磁輔助式同步磁阻電機(jī)中的損耗主要分為三類：定子銅損、鐵芯損耗和磁損耗[3]。

1.1 銅耗

永磁輔助式同步磁阻電機(jī)中的最高損耗是定子銅耗，定子銅耗由交流部分和直流部分兩部分組成。直流部分的損耗包括溫度對(duì)繞組電阻增大的影響，交流部分的損耗包括趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。高速電機(jī)以及有變頻器的繞組式電機(jī)中直流部分的損耗更為顯著。減少交流中銅耗量有兩種方法：使用絞線或分裂子導(dǎo)線[3，5-6]。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，m相繞組中總的銅損耗量可以通過以下公式計(jì)算：

Pcu=mI2R，

(1)

其中：R為相繞組的電阻，它可以通過以下公式計(jì)算：

(2)

其中：KR為趨膚效應(yīng)系數(shù)，N為匝數(shù)，Iav表示一匝的平均長(zhǎng)度，SC表示銅線的橫截面積，σ表示銅的電導(dǎo)率。公式(2)通過系數(shù)KR把直流損耗和交流損耗結(jié)合在一起，計(jì)算式未區(qū)分趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)。

1.2 鐵耗

迄今為止許多研究課題都在處理鐵耗這一復(fù)雜的問題。最常見的原則有兩項(xiàng)法和三項(xiàng)法，此類方法都基于斯坦梅茨[7]和貝爾托蒂的早期工作[8]。兩項(xiàng)法把鐵芯損耗分為兩類，即磁滯損耗(靜態(tài)損耗)和渦流損耗(動(dòng)態(tài)損耗)，并通過以下公式計(jì)算得到：

PFe=Ph+Pe=KhBnf+KeB2f2，

(3)

其中：Kh和Ke分別是磁滯和渦流損耗系數(shù)，B是正弦交變磁通密度的峰值(單位為特斯拉)。n依據(jù)材料在1.5和2.5之間取值，f是頻率(單位為赫茲)。在貝爾托蒂的方法中，n設(shè)置為1并在公式(3)中添加一個(gè)附加損耗項(xiàng)，這個(gè)附加損耗由以下公式計(jì)算：

KexcB1.5f1.5.

(4)

1.3 磁損耗

磁損耗是磁體中由于線槽旋轉(zhuǎn)、電源或其它幾何效應(yīng)產(chǎn)生的高次諧波磁通所感應(yīng)的磁場(chǎng)渦流引起的。磁損耗可由以下公式近似得到：

(5)

其中：f為頻率(赫茲)；ρm為磁電阻率；Vm為磁體總體積；Bm為氣隙磁通密度；bm為磁體寬度。

鐵氧體磁性材料的磁損耗可以忽略的原因是由于其高的電阻率，然而NdFeB和SmCo這樣高能量永磁體中，由于其低電阻率使得鐵耗變得非常顯著[3，9]。

2 熱場(chǎng)分析方法

電機(jī)的熱分析方法主要分為兩類，即解析集總電路法和數(shù)值熱分析法[4]。

2.1 基于集總參數(shù)的熱分析

集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)(LPTN)分析法用于計(jì)算來自電機(jī)不同部位的熱傳遞與熱流動(dòng)，這種解析方法的優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算速度快。因此用這種方法計(jì)算熱場(chǎng)電路中不同部位的溫度用時(shí)短。在計(jì)算過程中確定傳熱路徑的準(zhǔn)確性起著重要的作用，溫度幾乎相同的組件集中在一起用一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示，主要的熱傳遞方式是通過節(jié)點(diǎn)間的熱阻抗表示的。例如熱量通過一些傳導(dǎo)電阻從線圈流到槽齒處，再到鐵芯和機(jī)體框架，最后借助于對(duì)流和輻射電阻從框架轉(zhuǎn)移到電機(jī)外部環(huán)境。在繪制了所有主要的熱量傳遞路徑后，構(gòu)建的熱場(chǎng)模型看起來像是由熱電阻和電源組成的網(wǎng)絡(luò)。熱場(chǎng)等效環(huán)路類似于一個(gè)電路系統(tǒng)，其溫度就像電壓，功率損耗就像電流源，熱阻就像電阻[4]。每當(dāng)需要獲取熱場(chǎng)信息時(shí)，就通過迭代求解網(wǎng)絡(luò)矩陣的方法計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)溫度。

[T]=[G]-1[P] ，

(6)

其中：[T]為溫度矩陣；[G]為熱傳導(dǎo)矩陣；[P]為損耗矩陣。

早期關(guān)于集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的文獻(xiàn)是由梅勒在1991年撰寫的[10]。依據(jù)文獻(xiàn)[10]，這種模型的應(yīng)用太過復(fù)雜以至于無法在軸向和徑向方向上顯示熱傳遞效果。因此，應(yīng)用復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系式來解決不同的熱力學(xué)現(xiàn)象。此后的博列蒂于2003年通過對(duì)熱流路徑的簡(jiǎn)化和假設(shè)提出了一種簡(jiǎn)易模型。例如，假設(shè)電機(jī)僅在徑向方向散熱且各部件的功率損耗分布均勻。對(duì)比博列蒂和梅勒的建模工作，他們移除了網(wǎng)絡(luò)中大部分軸向元件，最終兩人的結(jié)果非常相似[11]。

2.2 數(shù)值熱分析

數(shù)值分析分為兩類：有限元分析(FEA)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)[4，12]。

有限元分析法是二維和三維模型中電磁設(shè)計(jì)與計(jì)算的常用方法?？紤]到溫度場(chǎng)設(shè)計(jì)的重要性才將其加入到有限元分析軟件中，該方法在計(jì)算電機(jī)內(nèi)部熱傳導(dǎo)方面非常精確。為了計(jì)算接觸、對(duì)流和輻射電阻，也需要用到集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)中的經(jīng)驗(yàn)公式和計(jì)算流程。有限元法不同于集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)，它可以精確地計(jì)算電機(jī)內(nèi)部功率損耗的不均勻分布情況。這種方法非常耗時(shí)，需要花費(fèi)大量的時(shí)間來構(gòu)造模型，因此它被用在一個(gè)無法用集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的復(fù)雜模型[4]。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法是一種復(fù)合方法。它除了計(jì)算傳熱外，還具有流體流動(dòng)預(yù)測(cè)的能力。因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)具備流體和傳熱的知識(shí)。在實(shí)際中，當(dāng)經(jīng)驗(yàn)公式和一般公式不能用于傳熱預(yù)測(cè)時(shí)就會(huì)用到該方法，例如端部繞組和端蓋區(qū)域的熱場(chǎng)分析。這種方法也用來計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)[13]。

3 散 熱

電機(jī)散熱有三種形式：傳導(dǎo)、對(duì)流和輻射[6]。

3.1 傳導(dǎo)

傳導(dǎo)散熱有兩種不同的機(jī)理：第一種是對(duì)分子相互作用與分子振動(dòng)進(jìn)行定義；第二種是依據(jù)材料中的自由電子定義[6]。

傳導(dǎo)電阻由以下公式計(jì)算：

(7)

其中：l為路徑長(zhǎng)度(m)；k為導(dǎo)熱系數(shù)[W/m℃]；A為傳熱面積(m2)。

依據(jù)公式(7)，傳導(dǎo)電阻主要取決于材料的導(dǎo)熱系數(shù)和材料的尺，當(dāng)導(dǎo)電材料有很高的導(dǎo)熱系數(shù)或者傳熱面積與路徑長(zhǎng)度的比值較大時(shí)，傳導(dǎo)電阻降低[5]。

傳導(dǎo)電阻計(jì)算中有兩個(gè)關(guān)鍵區(qū)域：一個(gè)區(qū)域與定子槽相關(guān)，另一個(gè)區(qū)域與不同材料間的界面或接觸電阻有關(guān)[3，6，14]。

線槽區(qū)域的銅導(dǎo)體、導(dǎo)體絕緣(導(dǎo)體搪瓷)、槽絕緣和浸漬材料都有不同的導(dǎo)熱系數(shù)。通常導(dǎo)電材料也是良好的熱導(dǎo)體，但是絕緣和浸漬材料的電導(dǎo)率較低。因此這些材料不能有效地將熱能傳遞到齒槽處。設(shè)計(jì)者們采用等效導(dǎo)熱系數(shù)的方法來克服這樣的建模問題。集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)中對(duì)線槽等效導(dǎo)熱系數(shù)的計(jì)算有不同的解析方法，比如立體繞組模型、分層繞組模型和等效絕緣法[15]。

等效導(dǎo)熱系數(shù)由Hashin-Shtrikman表達(dá)式來估算[16]。當(dāng)線槽至少由三部分組成時(shí)，Hashin-Shtrikman相關(guān)公式可用于其中兩種材料的計(jì)算。為了解決該問題可以采用兩種不同的簡(jiǎn)化假設(shè)。本文假設(shè)導(dǎo)體絕緣與浸漬材料有相同的導(dǎo)熱系數(shù)，這種情況下的等效導(dǎo)熱系數(shù)由以下公式確定：

(8)

其中：K1為導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)；K2為槽浸漬材料的導(dǎo)熱系數(shù)；f1為槽內(nèi)導(dǎo)體的體積比；f2為定子槽內(nèi)浸漬材料的體積比。因此，f1+f2=1[3，16]。

通過實(shí)測(cè)對(duì)定子繞組等效導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)定和評(píng)估的方法有兩種：熱穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和短時(shí)熱暫態(tài)試驗(yàn)[11，15]，這兩種實(shí)驗(yàn)方法適用于有分布式繞組的電機(jī)[15]。

在穩(wěn)態(tài)測(cè)試中，三相分布的定子繞組與直流電源串聯(lián)或并聯(lián)連接。此時(shí)，永磁輔助式同步磁阻電機(jī)的損耗是定子銅耗。考慮到熱安全原因，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為零時(shí)的直流電流限制為額定電流的50%～70%。這種測(cè)試需要較長(zhǎng)時(shí)間，一般電機(jī)需要幾個(gè)小時(shí)才能達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)。

短時(shí)熱暫態(tài)測(cè)試由博列蒂提出，文獻(xiàn)[17]中描述了測(cè)試的全部過程。不同于穩(wěn)態(tài)測(cè)試，短時(shí)熱暫態(tài)測(cè)試中的三相定子繞組接有一個(gè)電流等效為額定電流的直流電源。該方法假設(shè)定子疊片處于恒溫狀態(tài)，當(dāng)定子疊片溫度增加1度時(shí)測(cè)試結(jié)束，這樣可以使測(cè)試周期減少到幾分鐘。

傳導(dǎo)電阻測(cè)定中第二個(gè)關(guān)鍵問題是確定兩個(gè)材料之間的接觸或界面間隙。電機(jī)熱分析中有不同類型的接觸電阻，例如：框架到定子軛、槽絕緣襯到疊片及永磁體到轉(zhuǎn)子疊片的接觸電阻。材料表面的柔軟度和平滑度、氣壓及元件的不規(guī)則性導(dǎo)致了界面間隙的產(chǎn)生。最重要的接觸電阻與框架到定子疊片之間的界面間隙有關(guān)。大部分的熱量通過該區(qū)域，因此對(duì)該區(qū)域接觸電阻的精確計(jì)算才會(huì)使溫度測(cè)定準(zhǔn)確[12，14]。界面間隙電阻由以下公式計(jì)算：

(9)

其中：Ig為界面間隙；Kair為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)；roy為定子軛外半徑；Ls為定子鐵芯長(zhǎng)度。

公式(9)中關(guān)鍵的部分是對(duì)界面間隙長(zhǎng)度的估算。林德斯特倫在文獻(xiàn)[18]中介紹了一種基于框架材料和電機(jī)功率范圍的列表方法。博列蒂在文獻(xiàn)[12]中試圖尋找一個(gè)可以確定界面間隙的經(jīng)驗(yàn)公式，但是最后沒有任何公式可以描述界面間隙的狀態(tài)。他觀發(fā)現(xiàn)即便是同一家公司生產(chǎn)的同一種電機(jī)其界面間隙長(zhǎng)度是不盡相同。因此最終得出的結(jié)論是界面間隙不僅取決于框架材料，而且取決于制造工藝和材料表面的狀態(tài)。最后他建議使用一個(gè)平均的界面間隙作為初步估算。

3.2 對(duì)流

對(duì)流是最顯著的傳熱方法，它因冷卻流體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生。對(duì)流的類型分為兩種：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。當(dāng)物體放置到不同溫度的流體中時(shí)會(huì)發(fā)生自然對(duì)流，其物理定義是浮力；強(qiáng)制對(duì)流中的流體運(yùn)動(dòng)是由風(fēng)扇、泵或風(fēng)機(jī)這樣的外力造成的[6，19]。

對(duì)流熱電阻由以下公式計(jì)算得到：

(10)

其中：h為對(duì)流換熱系數(shù)[W/(m2，℃)]；A為對(duì)流表面積(m2)。

對(duì)流換熱系數(shù)的定義是對(duì)流熱阻計(jì)算中最重要的部分。而電機(jī)不同部位形狀的簡(jiǎn)單性如平板、線圈和氣缸等，使許多經(jīng)驗(yàn)公式可以用于對(duì)流換熱系數(shù)的計(jì)算。為了同時(shí)計(jì)算自然對(duì)流和強(qiáng)迫對(duì)流系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)公式由無量綱數(shù)定義。自然對(duì)流公式為

Nu=a(Gr·Pr)b，

(11)

強(qiáng)制對(duì)流公式為

Nu=a(Re)b(Pr)c，

(12)

其中：Nu為努塞爾數(shù)；Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)；Re為雷諾數(shù)；a，b和c為常數(shù)。

Gr，Pr，和Re可由以下公式計(jì)算：

(13)

(14)

(15)

其中：μ表示流體粘度[kg/(s·m)]，ρ表示流體密度(kg/m3)，C，p表示流體比熱容[kJ/(kg，℃)]，υ表示流體速度(m/s)，ΔT表示流體與冷卻表面的溫差(℃)，L表示表面特征長(zhǎng)度(m)，β表示流體的體積膨脹系數(shù)(1/k)，g表示重力加速度(m/s2)[14，19，20]。

對(duì)流換熱系數(shù)和努塞爾數(shù)之間的關(guān)系式為[14，19]:

(16)

自然對(duì)流中Gr、Pr的量級(jí)用來確定流體是層流還是湍流，而在強(qiáng)制對(duì)流中Re的量級(jí)則做此用。

對(duì)流電阻的計(jì)算中存在三個(gè)關(guān)鍵區(qū)域：第一個(gè)是電機(jī)外表面的散熱片，第二個(gè)與電機(jī)的末端空間有關(guān)，最后一個(gè)與氣隙的傳熱有關(guān)。

電機(jī)光滑表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的計(jì)算比較簡(jiǎn)單，但是軸向和徑向散熱片表面的傳熱系數(shù)需要更復(fù)雜的公式來計(jì)算，因此，該區(qū)域需要基于組合公式進(jìn)行計(jì)算。該方法中，任何一個(gè)復(fù)雜散熱片幾何形狀的計(jì)算都基于水平板、垂直板、氣缸和其他幾何形狀的組合[14]。

電機(jī)的末端空間很難確定其對(duì)流系數(shù)。末端空間包括端部繞組、端蓋和某些機(jī)體中簡(jiǎn)單的風(fēng)扇。一些作者如梅勒、鮑爾和舒伯特曾做過關(guān)于端部繞組冷卻的研究。計(jì)算末端空間熱對(duì)流系數(shù)最有用的公式是：

h=k1(1+k2Vk3) ，

(17)

其中：k1，，k2和k3為曲線擬合系數(shù)；V為流體速度(m/s)。上式的第一項(xiàng)代表自然對(duì)流，第二項(xiàng)代表強(qiáng)制對(duì)流[14]。

最后一個(gè)關(guān)鍵部分與空氣間隙的對(duì)流系數(shù)計(jì)算有關(guān)。第一個(gè)計(jì)算公式由泰勒在1935年提出，然后由蓋茲利在1958年進(jìn)一步完善。計(jì)算公式為

(18)

其中：Ta為泰勒數(shù)；Ω為轉(zhuǎn)子角速度；rm為轉(zhuǎn)子和定子的平均半徑；δ為徑向氣隙長(zhǎng)度[6，14]。

利用Becker和Kaya公式，Ta≤1700的努塞爾數(shù)為2，1700

Nu=0.128Ta0.367，

(19)

107>Ta>104的努塞爾數(shù)有以下公式計(jì)算[6]：

Nu=0.409Ta0.241，

(20)

3.3 輻射

輻射是一種不需要介質(zhì)傳熱的熱傳遞現(xiàn)象，此現(xiàn)象通過電磁波傳熱。輻射電阻的計(jì)算式為：

(21)

其中：hr為輻射系數(shù)；A為輻射表面積[4，6]。

輻射直接取決于輻射率和輻射角系數(shù)，兩個(gè)系數(shù)在0-1的范圍內(nèi)變化。輻射系數(shù)有以下公式計(jì)算：

(22)

其中：σ=5.67·10-8[W/(m2·K4)]；大多數(shù)電機(jī)的表面輻射率ε=0.85；F1-2為散熱面到吸收面的輻射角系數(shù)；T1和T2分別為表面1和表面2的溫度(K)；輻射角系數(shù)依據(jù)表面形狀算得。有很多文獻(xiàn)介紹了其算法，例如文獻(xiàn)[19]和文獻(xiàn)[20]。

輻射發(fā)生在電機(jī)的內(nèi)部和外部，使得輻射角系數(shù)的計(jì)算難度較大。例如，計(jì)算端部繞組和繞組的輻射角系數(shù)是相當(dāng)困難的。關(guān)于輻射的另外一個(gè)難題是輻射與對(duì)流同時(shí)發(fā)生，通過測(cè)量區(qū)分這兩種現(xiàn)象是十分困難的。實(shí)際中采用真空室實(shí)驗(yàn)設(shè)備來測(cè)量輻射系數(shù)，這種設(shè)備在普通實(shí)驗(yàn)室中并不常見。當(dāng)輻射與自然對(duì)流同時(shí)存在時(shí)輻射變得更加顯著，但在強(qiáng)迫對(duì)流的情況下輻射可以忽略，此時(shí)輻射電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于強(qiáng)制對(duì)流電阻[10，21]。

4 總 結(jié)

本文對(duì)永磁輔助式同步磁阻電機(jī)的熱分析研究進(jìn)行綜述，并介紹了永磁輔助式同步磁阻電機(jī)中的重要損耗。本文對(duì)比了解析法和數(shù)值法兩種不同類型的熱分析法，并考慮了每種方法的優(yōu)缺點(diǎn)。本文深入分析了集總參數(shù)熱網(wǎng)絡(luò)法，敘述了不同熱傳遞現(xiàn)象的經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)電機(jī)中關(guān)鍵的熱分析參數(shù)做出說明。針對(duì)各關(guān)鍵參數(shù)提出不同的各種解決方案和經(jīng)驗(yàn)公式。最后，闡述了獲取每個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的試驗(yàn)方法。

[1] 王子安.電動(dòng)汽車用鐵氧體永磁同步電機(jī)的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[2]P.Lazari,J.Wang,B.Sen.3-Deffectsofrotorstep-skewsinpermanentmagnetassistedsynchronousreluctancemachines[J].IEEETransactionsonMagnetics,2015,51(11):1-4.

[3]M.Popescu,D.Staton,D.Dorrell,etal.Studyofthethermalaspectsinbrushlesspermanentmagnetmachinesperformance[C].ElectricalMachinesDesignControlandDiagnosis.IEEE,2013:60-69.

[4] 徐云龍.高速永磁電機(jī)損耗計(jì)算與熱分析[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué),2009.

[5] 梁培鑫.永磁同步輪轂電機(jī)發(fā)熱及散熱問題的研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2013.

[6]J.Pyrh?nen,T.Jokinen,V.Hrabovcova.DesignofRotatingElectricalMachines[M].NewYork:JohnWiley&Sons,Inc.2008.

[7]C.Steinmetz.Onthelawofhysteresis[J].AIEETransactions,1892,9(3):3-64.

[8]G.Bertotti.Generalpropertiesofpowerlossesinsoftferromagneticmaterials[J].MagneticsIEEETransactionson,1988,24(1):621-630.

[9]Y.Burkhardt,G.Huth,S.Urschel.EddycurrentlossesinPMcannedmotors[C].XixInternationalConferenceonElectricalMachines.IEEE,2010:1-7.

[10]P.Mellor,D.Roberts,D.R.Turner,LumpedparameterthermalmodelforelectricalmachinesofTEFCdesign[J].IEEProceedingsB-ElectricPowerApplications1991,138(5):205-218.

[11]A.Boglietti,A.Cavagnino,M.Lazzari,etal.Asimplifiedthermalmodelforvariable-speedself-cooledindustrialinductionmotor[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2003,39(4):945-952.

[12]A.Boglietti,A.Cavagnino,D.Staton.Determinationofcriticalparametersinelectricalmachinethermalmodels[J].IndustryApplicationsIEEETransactionson,2008,44(4):1150-1159.

[13]J.Duboue,N.Liamis,L.Pate.Recentadvancesinaerothermalturbinedesignandanalysis[C].JointPropulsionConferenceandExhibit.2013:233-258.

[14]D.Staton,A.Boglietti,A.Cavagnino.Solvingthemoredifficultaspectsofelectricmotorthermalanalysis,insmallandmediumsizeindustrialinductionmotors[J].IEEETransactionsonEnergyConversion,2005,20(3):620-628.

[15]A.Boglietti,E.Carpaneto,M.Cossale,etal.Stator-WindingThermalModelsforShort-TimeThermalTransients:DefinitionandValidation[J].IEEETransactionsonIndustrialElectronics,2016,63(5):2713-2721.

[16]N.Simpson,R.Wrobel,P.H.Mellor.Estimationofequivalentthermalparametersofimpregnatedelectricalwindings[J].IndustryApplicationsIEEETransactionson,2013,49(6):2505-2515.

[17]A.Boglietti,E.Carpaneto,M.Cossale,etal.Electricalmachinefirstordershort-timethermaltransientsmodel:measurementsandparametersevaluation[C].IndustrialElectronicsSociety,IECON2014,ConferenceoftheIEEE.IEEE,2015:555-561.

[18]J.Lindstrom.ThermalModelofaPermanent-MagnetMotorforaHybridElectricVehicle.Licentiatethesis[D].Goteborg:ChalmersUniversityofTechnology,1999.

[19]A.Cavagnino,D.Staton.Convectionheattransferandflowcalculationssuitableforanalyticalmodellingofelectricmachines[C].IEEEIndustrialElectronics,IECON2006,Conferenceon.IEEE,2006:4841-4846.

[20]J.P.Holman,HeatTransfer[M].NewYork:McGraw-Hill,1997.

[21]S.N.Rea,S.E.West.Thermalradiationfromfinnedheatsinks[J].IEEETransactionsonPartsHybrids&Packaging,1976,12(2):115-117.

[22]M.F.Modest.RadiativeHeatTransfer[M].NewYork:Academic,2003.

[23]A.Boglietti,A.Cavagnino,M.Parvis,etal.Evaluationofradiationthermalresistancesinindustrialmotors[J].IEEETransactionsonIndustryApplications,2006,42(3):688-693.

[24] 潘超,王夢(mèng)純,楊德友,等.變壓器三維電磁場(chǎng)有限元計(jì)算問題的研究[J].東北電力大學(xué)學(xué)報(bào),2014,34(2):21-26.

Loss and Thermal Study Review of Permanent Magnet Synchronous Machines

Liu Wenjuan1,Pan Chao2,Mi Jian2

(1.State Grid Liaoning Electric Power Company Limited,Shenyang Liaoning 110006;2.Electrical Engineering College,Northeast Electric University,Jilin Jilin 132012)

A literature review of the losses analysis and thermal study of permanent magnet synchronous motors.The analysis and measurement for different components of heat extractions and are introduced.And the experimental methods for the key parameters are provided in details.Finally,advices are given about parameter computation,as to construct more accurate model of lumped-parameter thermal network.

Magnet losses;Computational fluid dynamic;Finite element analysis;Permanent magnet synchronous machines.

2016-11-23

劉文娟(1964-)，女，高級(jí)工程師，主要研究方向：電力系統(tǒng)分析與控制.

1005-2992(2017)02-0093-07

TM47

A

電子郵箱： 13909839721@163.com(劉文娟)；31563018@qq.com(潘超)；1911152213@qq.com(米儉)