永磁同步電機(jī)額定溫升的研究

王佩琦，孟 濤，孫玲玲

（南京越博動(dòng)力系統(tǒng)股份有限公司，201702）

永磁同步電機(jī)額定溫升的研究

王佩琦，孟 濤，孫玲玲

（南京越博動(dòng)力系統(tǒng)股份有限公司，201702）

通過多種水溫下對(duì)電機(jī)額定溫升進(jìn)行測(cè)試并對(duì)比分析，探討水溫對(duì)電機(jī)溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩及電機(jī)效率的影響。

水溫；永磁同步電機(jī)；測(cè)試

驅(qū)動(dòng)電機(jī)系統(tǒng)是電動(dòng)汽車的核心技術(shù)，永磁同步電機(jī)系統(tǒng)以其高功率密度、高效率而成為車用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的最優(yōu)選擇之一［1］。電機(jī)溫升又是其必須考慮的問題。

對(duì)于水冷電機(jī)而言，在水道結(jié)構(gòu)一定的情況下，影響電機(jī)內(nèi)部溫降的直接因素為冷卻水的流動(dòng)形態(tài)、流速及冷卻水溫度［2］。根據(jù)文獻(xiàn)2中冷卻水流速對(duì)溫升影響的研究，得出水流速較小即為層流時(shí)，隨著流速增加電機(jī)溫升開始降低，但水流速較大即達(dá)到紊流后，水流速繼續(xù)增加，溫升由大幅降低到基本不變的逐漸飽和趨勢(shì)。而文獻(xiàn)1則通過有限元對(duì)電機(jī)進(jìn)行熱分析，指出增大流量的確可以起到降低溫升的作用，但效果并不明顯。降低冷卻水的溫度比增加水流量會(huì)有更好的效果。

在電機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)中，溫升是關(guān)系到電機(jī)使用壽命和運(yùn)行可靠性的重要因素［3］。因此，本文通過多種水溫下對(duì)電機(jī)額定溫升進(jìn)行測(cè)試的實(shí)例，探討水溫對(duì)電機(jī)的一些影響。

1 試驗(yàn)研究

本文采用電機(jī)為50 kW永磁同步電機(jī)，電機(jī)的主要參數(shù)為：額定電壓540 V，額定轉(zhuǎn)速3 400 r/min，額定轉(zhuǎn)矩140 Nm。

此次額定溫升試驗(yàn)分別在60 ℃、40 ℃、25 ℃3種恒定水溫（偏差為±2 ℃）下進(jìn)行且僅改變水溫，其余參數(shù)如水流量等均無變化。

1.1 不同水溫對(duì)電機(jī)溫升的分析

由于采用電阻法測(cè)電機(jī)溫度，需在電機(jī)電源斷電后立即測(cè)取電阻并在試驗(yàn)前后通過電阻值推算溫升；而且斷電后電機(jī)溫度會(huì)快速下降，實(shí)際測(cè)試的溫度波動(dòng)大。所以，本次對(duì)于電機(jī)溫度的監(jiān)測(cè)，采用埋置檢溫計(jì)法。電機(jī)溫度變化數(shù)據(jù)詳見表1。因所測(cè)數(shù)據(jù)較多，故表1中僅選取5 min間隔的數(shù)據(jù)表示。

表1 不同水溫下電機(jī)溫度的變化

從表1中可以得出，60 ℃、40 ℃、25 ℃3種水溫下，電機(jī)溫度最終分別穩(wěn)定在112 ℃、91 ℃、77 ℃。電機(jī)溫升分別為52 K、51 K、52 K。圖1為不同水溫下電機(jī)溫度的變化曲線。

圖1 不同水溫下電機(jī)溫度的變化曲線

從圖1可以看出，60 ℃、40 ℃、25 ℃水溫下，3種曲線變化趨勢(shì)基本一致。25 min內(nèi)電機(jī)溫度均增長(zhǎng)較快，之后曲線均逐步趨于平穩(wěn)。此外，降低水溫并未使電機(jī)溫度增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩。

因此，通過3種水溫下的對(duì)比可進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，不同水溫對(duì)電機(jī)溫升的影響差別并不大。但較低的水溫可使電機(jī)最終溫度偏低，從而減少電機(jī)的損耗。

1.2 不同水溫對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的分析

額定溫升下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)詳見表2。

表2 不同水溫下電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化

從表2可以得出，額定溫升試驗(yàn)的3種水溫下，電機(jī)轉(zhuǎn)矩分別降低2.1 Nm、2.3 Nm、2.1 Nm，轉(zhuǎn)矩降低幅度基本相同。

為了能夠更加直觀地看出不同水溫下電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化情況，圖2繪制了60 ℃、40 ℃、25 ℃水溫下電機(jī)轉(zhuǎn)矩隨時(shí)間的變化曲線。從圖2可以看出：①水溫越高，電機(jī)初始的實(shí)際轉(zhuǎn)矩越低；②結(jié)合圖1可看出，隨著電機(jī)溫度的逐漸升高，電機(jī)轉(zhuǎn)矩會(huì)出現(xiàn)小幅下降的趨勢(shì)，直至電機(jī)溫度基本穩(wěn)定后，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也趨于平穩(wěn)。

圖2 3種不同水溫下電機(jī)轉(zhuǎn)矩的變化曲線

通過3種水溫下轉(zhuǎn)矩的對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩并不會(huì)一直保持恒定。電機(jī)溫度變化使實(shí)際轉(zhuǎn)矩與理想轉(zhuǎn)矩值之間會(huì)有所偏差。此外，從表2的數(shù)據(jù)來看，電機(jī)轉(zhuǎn)矩降幅基本一致，也可以進(jìn)一步驗(yàn)證圖1所得的結(jié)論即水溫對(duì)電機(jī)溫升的影響較小。

1.3 不同水溫對(duì)電機(jī)效率的分析

電機(jī)效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)詳見表3。3種不同水溫下電機(jī)效率的變化曲線如圖3所示。

表3 電機(jī)效率試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖3 3種不同水溫下電機(jī)效率的變化曲線

通過圖3可以較明顯看出，除個(gè)別點(diǎn)外，水溫60 ℃時(shí)電機(jī)效率最低；水溫25 ℃時(shí)，電機(jī)效率最高。

2 結(jié)論

本文對(duì)電機(jī)在持續(xù)工況60 ℃、40 ℃、25 ℃3種水溫下電機(jī)溫度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩、電機(jī)效率進(jìn)行了對(duì)比分析，得到了以下結(jié)論。

1）不同水溫對(duì)電機(jī)溫升的影響差別較小，但低水溫可降低電機(jī)溫度，從而減少電機(jī)損耗。

2）不同水溫下，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)矩均會(huì)隨電機(jī)溫度升高而有小幅度下降，直至電機(jī)溫度穩(wěn)定。

3）水溫越高，電機(jī)效率越低。可見，低水溫可以有效改善電機(jī)運(yùn)行性能。

［1］郭偉， 張承寧. 車用永磁同步電機(jī)的鐵耗與瞬態(tài)溫升分析［J］. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2009， 13（1）：83-87.

［2］李翠萍， 柴鳳， 程樹康. 冷卻水流速對(duì)汽車水冷電機(jī)溫升影響研究［J］. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào)， 2012， 16 （9）：1-8.

［3］Wang Situn， 王司暾， Wang Lu，等. 永磁同步電機(jī)溫升研究［C］// 中國(guó)家用電器技術(shù)大會(huì). 2012.

（編輯 楊 景）

Study on Rated Temperature Rise of Permanent Magnet Synchronous Motor

WANG Pei-qi， MENG Tao， SUN Ling-ling
（Nanjing Yuebo Power System Co.， Ltd.， Nanjing 201702， China）

Through motor rated temperature rise tests under a variety of water temperatures and comparative analysis，the influence of water temperature on the motor temperature， motor torque and motor efficiency is discussed.

water temperature; permanent magnet synchronous motor; test

U463.645

A

1003-8639（2017）06-0047-03

2017-03-16

王佩琦（1994-），女，江蘇南京人，助理工程師；孟濤（1985-），男，江蘇徐州人，工程師；孫玲玲（1981-），女，江蘇南京人，工程師。