礦用永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)溫度場(chǎng)研究與分析

侯紅偉，秦 翥

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)上海研究院有限公司，上海 200030)

0 引 言

近年來(lái)，采用低速大轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動(dòng)永磁同步電動(dòng)機(jī)代替齒輪箱和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，具有功率密度高、齒槽轉(zhuǎn)矩小等特點(diǎn)[1]，在礦山機(jī)械中得到了較為廣泛的應(yīng)用。分?jǐn)?shù)槽集中繞組礦用隔爆永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)特性與磁場(chǎng)內(nèi)諧波的相互作用[2]，將產(chǎn)生定子銅損耗及轉(zhuǎn)子磁體損耗，若不采取措施會(huì)造成電動(dòng)機(jī)發(fā)熱，當(dāng)熱負(fù)荷過(guò)小時(shí)，會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)無(wú)法充分運(yùn)轉(zhuǎn)；當(dāng)熱負(fù)荷過(guò)大時(shí)，會(huì)影響電動(dòng)機(jī)性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使永磁體失磁[3]。如何在提高電動(dòng)機(jī)工作效率的同時(shí)，解決永磁電動(dòng)機(jī)溫升過(guò)高問(wèn)題已成為近年來(lái)的研究熱點(diǎn)[4]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)在能量損耗、冷卻方式[5]、冷卻結(jié)構(gòu)[6]以及不同冷卻介質(zhì)[7]對(duì)電動(dòng)機(jī)冷卻性能等方面的影響進(jìn)行了研究。通過(guò)計(jì)算永磁體渦流損耗[8]，得出永磁體渦流損耗是導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱的主要原因[9]。采用FLUENT軟件對(duì)低速大轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子及永磁體冷卻系統(tǒng)進(jìn)行研究，結(jié)果表明加裝散熱風(fēng)扇并開設(shè)軸向、徑向通風(fēng)道可以有效降低永磁體溫升[10]。但是，對(duì)分?jǐn)?shù)槽集中繞組礦用隔爆永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)由于損耗分布不均衡，造成的電動(dòng)機(jī)效率過(guò)低、磁場(chǎng)畸變嚴(yán)重等問(wèn)題關(guān)注較少[11]。

筆者首先對(duì)500 kW、60 r/min礦用隔爆永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行損耗分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果掌握電動(dòng)機(jī)的溫度分布狀態(tài)，設(shè)計(jì)了適用于該直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)方案，然后通過(guò)截取該電動(dòng)機(jī)定子軸向1/2半齒半槽及轉(zhuǎn)子徑向1/8為仿真對(duì)象，利用Realizablek-ε模型進(jìn)行三維溫度場(chǎng)仿真及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[12]。結(jié)果證明：以水冷為主、軸向風(fēng)扇閉式循環(huán)風(fēng)冷為輔的冷卻系統(tǒng)可以有效降低直驅(qū)電動(dòng)機(jī)定子端部及轉(zhuǎn)子磁體的溫升問(wèn)題，說(shuō)明了冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，為永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的整體優(yōu)化提供了依據(jù)。

1 電動(dòng)機(jī)損耗分析與計(jì)算

分?jǐn)?shù)槽集中繞組礦用隔爆永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)具有功率密度高[13]、齒槽轉(zhuǎn)矩低[14]、容錯(cuò)能力高等特點(diǎn)，隨著單機(jī)容量的不斷增加，使得電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的單位體積損耗顯著上升[15]。

1.1 電動(dòng)機(jī)損耗分析

電動(dòng)機(jī)內(nèi)部存在電磁場(chǎng)、溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的作用下，使得電動(dòng)機(jī)內(nèi)部多物理場(chǎng)耦合、流場(chǎng)復(fù)雜[16]。由于定子導(dǎo)體不同匝間的損耗差異，使得電動(dòng)機(jī)內(nèi)部諧波含量較高，主要包括定子齒、定子槽引起的氣隙磁密諧波及定子繞組激勵(lì)電流非正弦引起的氣隙磁密諧波[17]。電動(dòng)機(jī)內(nèi)部諧波含量大、永磁體電導(dǎo)率高，且電動(dòng)機(jī)內(nèi)的勵(lì)磁磁場(chǎng)是由轉(zhuǎn)子上的永磁體產(chǎn)生[18]，使得電動(dòng)機(jī)永磁體的渦流損耗升高、電動(dòng)機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)畸變嚴(yán)重，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)中低次諧波相互作用增加了轉(zhuǎn)子渦流損耗[19]。此外，轉(zhuǎn)子磁鋼即使產(chǎn)生損耗較小，也將引起低速電動(dòng)機(jī)定子發(fā)熱不均、轉(zhuǎn)子溫升過(guò)高等問(wèn)題。

文獻(xiàn)[20]認(rèn)為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的銅損耗、鐵損耗及渦流損耗是引起電動(dòng)機(jī)發(fā)熱的主要原因，需要通過(guò)計(jì)算，才能準(zhǔn)確掌握電動(dòng)機(jī)內(nèi)熱源分布情況，有利于選擇合適的來(lái)流溫度、設(shè)計(jì)有效的冷卻結(jié)構(gòu)。

1.2 電動(dòng)機(jī)損耗計(jì)算

計(jì)算電動(dòng)機(jī)損耗時(shí)假設(shè)電動(dòng)機(jī)表面的散熱系數(shù)恒定，導(dǎo)熱系數(shù)及散熱系數(shù)不隨溫度發(fā)生改變，且電動(dòng)機(jī)損耗不隨溫度變化且全部轉(zhuǎn)換為熱量。鐵心及鐵心段繞組產(chǎn)生的損耗主要包含銅損耗與鐵損耗，計(jì)算電動(dòng)機(jī)銅損耗時(shí)，需要分別對(duì)繞組線圈銅損耗測(cè)量后進(jìn)行求和，見式(1)。

(1)

式中：Q為定子槽數(shù)；I為定子電流；T為定子端部繞組的最終溫度；T0為電動(dòng)機(jī)起始溫度；R為定子齒槽中心距離；r為導(dǎo)線線徑；a為每線圈的并繞根數(shù)；n為每線圈的串聯(lián)匝數(shù)。

電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)的鐵損耗包括磁滯損耗、渦流損耗及異常損耗，可利用式(2)完成計(jì)算。

PFe=khfB2+kef2B2+kaf1.5B1.5

(2)

式中：kh為磁滯損耗系數(shù)；ke為渦流損耗系數(shù)；ka為附加損耗系數(shù)；f為磁場(chǎng)頻率；B為磁通密度。

轉(zhuǎn)子的渦流損耗分為空載渦流損耗及負(fù)載渦流損耗，利用式(3)完成。

(3)

式中：σ為磁鋼電導(dǎo)率；ω為磁場(chǎng)頻率；d為磁鋼厚度；Bav為磁通密度平均值；F為磁動(dòng)勢(shì)；μ為磁導(dǎo)率；V為電動(dòng)機(jī)負(fù)載電壓。

以無(wú)任何冷卻裝置的500 kW礦用隔爆永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)為例，電動(dòng)機(jī)為徑向?qū)ΨQ，主要參數(shù)包括：定子內(nèi)徑1 460 mm、定子外徑1 800 mm、定子槽高105.5 mm、定子齒距25.38 mm、氣隙長(zhǎng)度4.5 mm。式(1)—式(3)計(jì)算得出500 kW礦用隔爆永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)損耗分別為：銅損耗17.2、鐵損耗3.58、渦流損耗2.65。500 kW礦用隔爆永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的損耗分布極不平衡，其中定子銅損耗占總損耗比例最高，其次為定子鐵心損耗及轉(zhuǎn)子永磁體損耗。

2 冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)直驅(qū)電動(dòng)機(jī)的損耗特點(diǎn)及計(jì)算結(jié)果，通過(guò)水冷方式能夠控制電動(dòng)機(jī)定子部件的溫升問(wèn)題，但是由于電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低，如果轉(zhuǎn)子損耗通過(guò)熱輻射傳導(dǎo)傳遞熱量，將造成永磁體溫度過(guò)高，存在退磁風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 對(duì)流換熱模型

由于轉(zhuǎn)子磁體發(fā)熱較大且無(wú)法通過(guò)水冷方式散發(fā)熱量，在定子產(chǎn)生熱量的疊加作用下，轉(zhuǎn)子溫度將進(jìn)一步升高。因此，需要在考慮成本的前提下，確保電動(dòng)機(jī)在最大負(fù)載時(shí)，永磁體溫度保持在安全運(yùn)行范圍內(nèi)。在實(shí)際工程中通常采用牛頓冷卻定律計(jì)算對(duì)流換熱，見式(4)。

q=α(Tw-Tf)

(4)

式中：α為對(duì)流換熱系數(shù)；Tw為固體表面溫度；Tf為流體平均溫度。

由式(4)可知，對(duì)流換熱系數(shù)直接影響對(duì)流換熱強(qiáng)弱。由于電動(dòng)機(jī)呈對(duì)稱分布且轉(zhuǎn)速較慢，較難產(chǎn)生對(duì)流，通過(guò)在轉(zhuǎn)子兩端增加散熱風(fēng)扇，加強(qiáng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與空氣對(duì)流傳熱能力的方式，增大對(duì)流換熱系數(shù)α，是解決永磁體溫升過(guò)高的有效方式之一。

2.2 電動(dòng)機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)

綜上所述，500 kW礦用隔爆直驅(qū)電動(dòng)機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)以水冷為主，以軸帶風(fēng)扇閉式循環(huán)風(fēng)冷為輔，冷卻結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電動(dòng)機(jī)外部設(shè)置水套機(jī)座，內(nèi)部通過(guò)風(fēng)扇形成循環(huán)風(fēng)路，將轉(zhuǎn)子磁體熱量傳遞至機(jī)座。銅損耗與鐵損耗通過(guò)熱傳導(dǎo)傳至機(jī)座；定子鐵心與水套機(jī)座采用熱套結(jié)構(gòu)，增加傳熱效果；定子端部熱量經(jīng)過(guò)銅繞組傳至直線段，再由定子鐵心傳走。

圖1 500 kW永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic of cooling construction of 500 kW permanent magnet direct drive motor

在轉(zhuǎn)子一側(cè)設(shè)置風(fēng)扇形成風(fēng)路，采用鍍層分塊、轉(zhuǎn)子軛部疊片式結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)子永磁體熱量攜至定子鐵心軛部并由機(jī)座冷卻水?dāng)y出，由式(3)可得此時(shí)永磁體渦流損耗由最初的2.65 kW降低為0.89 kW。

3 溫度場(chǎng)計(jì)算

3.1 計(jì)算模型建立

由于500 kW、60 r/min礦用隔爆永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)模型過(guò)大，截取該電動(dòng)機(jī)定子軸向1/2半齒半槽及轉(zhuǎn)子徑向1/8作為研究對(duì)象，利用湍流realizablek-ε模型進(jìn)行流固耦合仿真，驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)冷卻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理。仿真時(shí)，電動(dòng)機(jī)與空氣接觸面設(shè)置為無(wú)滑移、轉(zhuǎn)子內(nèi)各部件的邊界條件設(shè)置為旋轉(zhuǎn)壁面，電動(dòng)機(jī)相關(guān)材料的物理性能參數(shù)見表1，電動(dòng)機(jī)總體風(fēng)路如圖2所示。

表1 電動(dòng)機(jī)部件相關(guān)材料物性參數(shù)Table 1 Related material property parameter of motor component

圖2 電動(dòng)機(jī)總體風(fēng)路Fig.2 Total wind road

3.2 計(jì)算分析

分別對(duì)電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子分別進(jìn)行冷卻設(shè)置，并測(cè)量相關(guān)部件的溫度，通過(guò)迭代方式論證定子、轉(zhuǎn)子的熱平衡狀態(tài)。

1)步驟1。設(shè)定電動(dòng)機(jī)定子端部及內(nèi)徑圓面處絕熱，將定子軛部孔加載全部的轉(zhuǎn)子熱量。測(cè)量可得定子端部的最高溫度為129.5 ℃，定子內(nèi)徑面平均溫度為107.4 ℃，定子軛部孔表面平均溫度為53.9 ℃。

2)步驟2。設(shè)定電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)徑圓面處絕熱，定子軛部孔加載全部轉(zhuǎn)子熱量，電動(dòng)機(jī)定子端部給定換熱系數(shù)為20 W/(m2·K)，定子來(lái)流溫度為85 ℃。計(jì)算可得定子端部最高溫度為117.3 ℃、定子內(nèi)徑面平均溫度為103.5 ℃及定子軛部孔平均溫度為53.2 ℃。由測(cè)量結(jié)果可知，步驟2中定子各部位溫度下降明顯，證明通過(guò)給定子端部設(shè)定來(lái)流溫度，能夠有效降低定子各部件溫度。

3)步驟3。設(shè)定電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)徑圓面處絕熱，轉(zhuǎn)子熱量通過(guò)定子軛部孔攜走，定子軛部孔平均溫度采用步驟2中的測(cè)量結(jié)果，仿真可得轉(zhuǎn)子各部位的溫度數(shù)值，其中包括轉(zhuǎn)子磁體最高溫度為117.3 ℃，定子端部來(lái)流溫度為85.1 ℃，轉(zhuǎn)子氣隙中溫度分布為85.1～111 ℃ ，定子氣隙面平均溫度為103.6 ℃。

定子端部來(lái)流在步驟2中給定為85 ℃，在步驟3中的計(jì)算結(jié)果為85.1 ℃，說(shuō)明步驟2中的假設(shè)合理，且定子氣隙面平均溫度與步驟2接近，可知電動(dòng)機(jī)部件在此時(shí)基本達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

4)步驟4。在步驟3的基礎(chǔ)上，將電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)徑圓面處的絕熱條件設(shè)定為步驟2中使用的計(jì)算溫度103.5 ℃。仿真可得轉(zhuǎn)子氣隙的空氣溫度占?xì)怏w總熱量的0.8%，轉(zhuǎn)子磁體的最高溫度降為116 ℃，說(shuō)明定子內(nèi)徑面絕熱可以降低轉(zhuǎn)子氣隙中的熱量。

5)步驟5。將步驟4中的轉(zhuǎn)子氣隙空氣溫度加載到定子內(nèi)徑面處。仿真結(jié)果與步驟2所得結(jié)果基本相同，由此可以判定電動(dòng)機(jī)部件在此時(shí)達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。

通過(guò)迭代計(jì)算的方式驗(yàn)證了當(dāng)給定來(lái)流溫度且電動(dòng)機(jī)定子內(nèi)徑圓面處絕熱，轉(zhuǎn)子熱量加載至定子軛部孔，轉(zhuǎn)子氣隙空氣溫度加載到定子內(nèi)徑面處時(shí)，電動(dòng)機(jī)部件基本達(dá)到熱平衡，驗(yàn)證了冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

4 仿真結(jié)果分析

4.1 三維溫度場(chǎng)仿真

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)模型進(jìn)行三維仿真，其中定子溫度分布如圖3所示，由圖3可知，定子繞組在溫度分布上存在一定的不均勻性，定子端部與槽楔處的直線繞組溫度最高，且溫度依次按槽口到槽底降低。

圖3 定子溫度分布Fig.3 Stator temperature profile

轉(zhuǎn)子部位溫度分布如圖4所示，由圖4可知，轉(zhuǎn)子受軸向通風(fēng)影響，轉(zhuǎn)子磁體在軸向上存在較大的梯度溫差。

圖4 轉(zhuǎn)子磁體溫度分布Fig.4 Rotor magnet temperature distribution diagram

4.2 仿真結(jié)果分析

三維溫度場(chǎng)仿真結(jié)果見表2，由統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

表2 三維溫度場(chǎng)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Simulation result statistics of three dimensional temperature field

1)定子繞組在溫度分布上存在一定的不均勻性，通過(guò)合理選取導(dǎo)體截面和匝數(shù)、調(diào)整槽口高度，可以減少轉(zhuǎn)子引起的繞組發(fā)熱不均及定子銅耗，確保電動(dòng)機(jī)可靠穩(wěn)定的工作。

2)轉(zhuǎn)子磁體的溫度分布存在不均勻性，計(jì)算得到的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子磁體最高運(yùn)行溫度117.6 ℃，平均溫度 108.8 ℃，采用鍍層分塊、轉(zhuǎn)子軛部疊片式結(jié)構(gòu)，可以有效減少永磁體的損耗和發(fā)熱。

5 結(jié) 論

1)通過(guò)對(duì)500 kW、60 r/min礦用隔爆永磁直驅(qū)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行損耗分析與計(jì)算，得出定子銅損耗占總損耗比例最高，其次為定子鐵心損耗及轉(zhuǎn)子永磁體損耗。根據(jù)損耗特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以水冷為主，以軸帶風(fēng)扇閉式循環(huán)風(fēng)冷為輔，在電動(dòng)機(jī)外部設(shè)置水套機(jī)座，內(nèi)部通過(guò)風(fēng)扇形成循環(huán)風(fēng)路的冷卻結(jié)構(gòu)。

2)冷卻結(jié)構(gòu)中，定子的銅損耗與鐵損耗，通過(guò)熱傳導(dǎo)傳至機(jī)座；定子鐵心與水套機(jī)座采用熱套結(jié)構(gòu)，增加傳熱效果；定子端部熱量經(jīng)過(guò)銅繞組傳至直線段，再由定子鐵心傳走；采用鍍層分塊、轉(zhuǎn)子軛部疊片式結(jié)構(gòu)，將轉(zhuǎn)子永磁體熱量攜至定子鐵心軛部，并由機(jī)座冷卻水?dāng)y出。

3)截取定子軸向1/2半齒半槽及轉(zhuǎn)子徑向1/8作為研究對(duì)象，利用湍流realizablek-ε模型進(jìn)行流固耦合仿真，通過(guò)迭代方式驗(yàn)證電動(dòng)機(jī)在冷卻結(jié)構(gòu)的協(xié)作下，可以達(dá)到熱平衡狀態(tài)，利用三維溫度場(chǎng)仿真，說(shuō)明冷卻結(jié)構(gòu)可以減少轉(zhuǎn)子引起的繞組發(fā)熱不均及定子銅耗，確保電動(dòng)機(jī)可靠穩(wěn)定的工作；有效減少永磁體的損耗和發(fā)熱。