真空泵用屏蔽式永磁同步電機(jī)電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)互相迭代計(jì)算方法

穆海琦, 周舒昊, 于添昊, 倫淑嫻

(渤海大學(xué) 控制科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧 錦州 121210)

0 引言

真空泵憑借其安全、高效以及完全無泄漏等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于化工、集成電路制造及核工業(yè)等領(lǐng)域[1]。為了提高真空泵驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)效率,當(dāng)前真空泵通常采用屏蔽式永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng),與常規(guī)永磁同步電機(jī)相比,屏蔽式永磁同步電機(jī)在電機(jī)定子內(nèi)圓包含一個(gè)屏蔽套來防止真空泄漏。該屏蔽套固定于定子鐵心內(nèi)圓,在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)作用下,產(chǎn)生額外的渦流損耗,從而引起電機(jī)溫度升高。此外真空泵用屏蔽式永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子處于真空環(huán)境,散熱條件差,因此相較于常規(guī)的永磁同步電機(jī),屏蔽式永磁同步電機(jī)定轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重[2]。因此準(zhǔn)確計(jì)算真空泵用屏蔽式永磁同步電機(jī)溫度場(chǎng)對(duì)于電機(jī)電磁性能的預(yù)測(cè)以及提高電機(jī)安全可靠性具有重要意義[3]。

科研人員針對(duì)屏蔽式永磁同步電機(jī)溫度場(chǎng)計(jì)算開展了大量研究。在文獻(xiàn)[4]中,郭純冶對(duì)屏蔽電機(jī)進(jìn)行溫度場(chǎng)建模,利用有限元軟件,得到屏蔽電機(jī)溫度分布圖以及各部件溫度隨時(shí)間變化的曲線。在文獻(xiàn)[5]中,莊海軍提出了帶有補(bǔ)償單元的熱網(wǎng)絡(luò)模型,可以快速的計(jì)算出電機(jī)各部件的溫升,還利用有限元法對(duì)提出的模型進(jìn)行了驗(yàn)證。在文獻(xiàn)[6]中,王曉遠(yuǎn)等人建立了等效熱網(wǎng)絡(luò)溫度場(chǎng)分析模型和三維有限元模型,利用輪轂電機(jī)溫升實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了等效熱網(wǎng)絡(luò)法和有限元法的有效性。然而上述研究采用的都是電磁-熱單向耦合,影響溫度計(jì)算精度。這樣會(huì)導(dǎo)致電機(jī)溫升計(jì)算與實(shí)際結(jié)果相比仍有誤差。

為了進(jìn)一步提高電機(jī)溫度計(jì)算準(zhǔn)確性,文獻(xiàn)[7]提出了電磁場(chǎng)與溫度場(chǎng)雙向耦合計(jì)算方法,該方法能夠充分考慮電機(jī)發(fā)熱對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)的作用。研究結(jié)果表明雙向耦合法相比于單向耦合法,溫度計(jì)算精度提高了8.4%。文獻(xiàn)[8]通過提出一種可以同時(shí)考慮溫度場(chǎng)和電磁場(chǎng)的交流永磁電機(jī)多物理場(chǎng)計(jì)算方法,得出了溫度變化對(duì)電機(jī)參數(shù)設(shè)計(jì)影響規(guī)律,分析了電機(jī)在大溫差環(huán)境下的輸出能力。文獻(xiàn)[9]提出了一種雙向磁熱耦合計(jì)算方法,該方法考慮了電機(jī)溫升對(duì)電磁場(chǎng)的影響,溫升預(yù)測(cè)比單向耦合法更準(zhǔn)確,但與實(shí)際結(jié)果相比,依然存在較大誤差。

然而電機(jī)運(yùn)行是一個(gè)多物理場(chǎng)耦合過程。因?yàn)殡姍C(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)與電機(jī)散熱能力都與電機(jī)自身溫度相關(guān),且溫度越高,影響越大[10]。然而,目前關(guān)于電機(jī)溫度計(jì)算時(shí)考慮溫度對(duì)電機(jī)傳熱影響的研究較少。

因此,針對(duì)發(fā)熱較為嚴(yán)重的真空泵用屏蔽式永磁同步電機(jī),本文在基于現(xiàn)有電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)雙向耦合方法的基礎(chǔ)上,提出一種能夠考慮溫度對(duì)電機(jī)傳熱影響的互相迭代計(jì)算方法。該方法能夠充分反應(yīng)電機(jī)傳熱的實(shí)際過程,能夠有效提高電機(jī)溫度預(yù)測(cè)精度,對(duì)于保證電機(jī)安全可靠運(yùn)行具有重要意義。同時(shí)本文的研究可以為屏蔽式永磁同步電機(jī)受環(huán)境溫度影響的溫升計(jì)算提供重要的方法指導(dǎo)。

1 電磁熱互相迭代計(jì)算方法

電磁熱互相迭代計(jì)算方法是一種既可以考慮溫度對(duì)電機(jī)電磁性能的影響,又能考慮溫度對(duì)電機(jī)散熱能力影響的計(jì)算方法。

1.1 流程圖

本文提出的互相迭代法計(jì)算流程如圖1所示。

圖1 電磁熱互相迭代計(jì)算方法流程Fig.1 Electromagnetic heat mutual iterative calculation method flow chart

根據(jù)圖1,電磁熱互相迭代計(jì)算方法的步驟為:(1)首先設(shè)定環(huán)境初始溫度;(2)根據(jù)初始溫度確定電機(jī)材料的物性參數(shù)和熱特性參數(shù);(3)求解電磁場(chǎng)獲得電機(jī)各部件損耗;(4)在上述條件基礎(chǔ)上對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)進(jìn)行求解,獲得電機(jī)各部件溫度;(5)電機(jī)各部件溫度與上一次計(jì)算的溫度差值若小于閾值則計(jì)算結(jié)束,否則更新溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算,直至滿足計(jì)算精度要求;(6)重復(fù)步驟(3)、(4)、(5),迭代循環(huán),直到符合誤差要求。

在迭代計(jì)算過程中考慮電機(jī)部件溫度對(duì)材料電磁物性參數(shù)和熱特性參數(shù)的影響,電磁性能影響的參數(shù)包括損耗(銅耗、永磁體渦流損耗、屏蔽套損耗)、永磁體的剩磁密度和矯頑力以及屏蔽套電阻率等。對(duì)熱特性影響的參數(shù)包括材料導(dǎo)熱系數(shù)和散熱系數(shù)。以下分別介紹溫度對(duì)電磁物性參數(shù)和熱特性參數(shù)的影響。

1.2 溫度對(duì)電磁物性參數(shù)的影響

(1) 對(duì)銅耗的影響

銅耗計(jì)算式如下[11]:

PCu=mI2R(t)

(1)

式中:m為繞組相數(shù);I為電流有效值;R為每相繞組的電阻值。

由于永磁同步電機(jī)功率密度高,其在工作過程中溫升較快,這會(huì)引起繞組阻值的增加,電阻隨繞組溫度變化的關(guān)系為[12]

R(t)=R0[1+α0(t-t0)]

(2)

式中:R0為參考電阻值;α0為導(dǎo)體溫度系數(shù)。

(2) 對(duì)永磁體渦流損耗的影響

永磁體渦流損耗計(jì)算式如下[13]:

(3)

式中:J為渦流密度;σ為永磁體電導(dǎo)率;V為永磁體體積。

永磁體剩磁參數(shù)與溫度之間的計(jì)算式為[14]

(4)

永磁體矯頑力參數(shù)與溫度之間的計(jì)算式為[15]

(5)

式中:Br為永磁體的剩磁;αBr為永磁體剩磁密度的可逆溫度系數(shù);t0為設(shè)定的環(huán)境初始溫度;t1為上一次迭代計(jì)算后永磁體的溫度;Brt0為t0溫度下的永磁體剩磁;Brt1為t1溫度下的永磁體剩磁;Hrt0為t0溫度下的永磁體矯頑力參數(shù);Hrt1為t1溫度下的永磁體矯頑力參數(shù)。

(3) 對(duì)屏蔽套損耗的影響

定子屏蔽套損耗簡(jiǎn)化計(jì)算式為[16]

(6)

式中:Bδ為氣隙磁通密度最大值;n1為電機(jī)轉(zhuǎn)速;lt為鐵心長(zhǎng)度;D1為定子內(nèi)徑;δ1為定子屏蔽套厚度;ρ為屏蔽套材料的電阻率;K=0.25～0.43。

綜上介紹了溫度對(duì)電機(jī)電磁物性參數(shù)產(chǎn)生的影響,還需注意溫度對(duì)電機(jī)熱特性參數(shù)產(chǎn)生的重要影響。

1.3 溫度對(duì)熱特性參數(shù)的影響

熱特性參數(shù)主要包括導(dǎo)熱系數(shù)和散熱系數(shù),因此,本文的重點(diǎn)將放在對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)和散熱系數(shù)的分析上。

(1) 溫度對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)的影響

導(dǎo)熱系數(shù)是當(dāng)溫度梯度為1時(shí),單位時(shí)間內(nèi)通過單位面積的導(dǎo)熱量。同一材料的導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化,對(duì)于絕大多數(shù)物質(zhì)而言,當(dāng)材料溫度尚未達(dá)到熔化或汽化以前,導(dǎo)熱系數(shù)可以近似地認(rèn)為是線性規(guī)律變化,即[17]:

λ=λ0(1+b·t)

(7)

空氣的導(dǎo)熱系數(shù)可用式(8)計(jì)算[18]:

λt=λ0e0.002 72t

(8)

式中:λ0為環(huán)境溫度時(shí)的導(dǎo)熱系數(shù);b為試驗(yàn)確定的常數(shù),b值可以為正值,也可能為負(fù)值。對(duì)于絕緣材料而言,b≈0.001 6～0.02,t為迭代計(jì)算后得出的溫度。

(2) 溫度對(duì)散熱系數(shù)的影響

當(dāng)固體的溫度與流體溫度不等時(shí),二者之間就有熱交換,熱量從高溫物體傳向低溫物體。對(duì)流散熱時(shí),表面散熱能力與冷卻介質(zhì)的物理性能、固體表面幾何形狀、尺寸等因素有關(guān)。

如果用空氣作為冷卻介質(zhì),其物理性能比較穩(wěn)定。忽略散熱表面幾何尺寸等因素的影響,則可以近似地認(rèn)為散熱系數(shù)僅與空氣的流速有關(guān)。當(dāng)空氣流速在5～25 m/s時(shí),α與流速v的關(guān)系如下[19]:

(9)

式中:α0為發(fā)熱表面在平靜空氣中的散熱系數(shù);v為空氣吹拂表面的速度;k為考慮氣流吹拂效率的系數(shù)。

綜上所述,本節(jié)從電磁物性和熱特性兩個(gè)方面討論了溫度對(duì)電機(jī)的影響,列舉了電機(jī)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)之間相互迭代所需的公式,為進(jìn)一步分析環(huán)境溫度對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響提供了基礎(chǔ)。

2 屏蔽式永磁同步電機(jī)溫度計(jì)算與分析

2.1 電機(jī)參數(shù)及多物理場(chǎng)計(jì)算模型

本文以一臺(tái)1.5 kW屏蔽式永磁同步電機(jī)為例,基于互相迭代計(jì)算方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行研究,電機(jī)的基本參數(shù)如表1所示。

表1 電機(jī)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of motor

根據(jù)表1參數(shù)分別建立了如圖2、圖3所示的電機(jī)電磁場(chǎng)計(jì)算模型和電機(jī)溫度場(chǎng)有限元計(jì)算模型。

圖2 電機(jī)電磁場(chǎng)有限元計(jì)算模型Fig.2 Finite element calculation model of motor electromagnetic field

圖3 電機(jī)溫度場(chǎng)有限元計(jì)算模型Fig.3 Finite element calculation model diagram of motor temperature field

然后在兩種計(jì)算模型下分別對(duì)電機(jī)的氣隙磁密、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)、損耗、效率和功率因數(shù)等參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。

2.2 電機(jī)氣隙磁密和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)對(duì)比分析

在電機(jī)中,氣隙磁密的分布和強(qiáng)度對(duì)電機(jī)的性能和效率產(chǎn)生了重要影響。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)則是電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的關(guān)鍵因素。因此,對(duì)氣隙磁密和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行分析對(duì)于理解電機(jī)的性能特征、控制和優(yōu)化具有重要意義。

利用有限元模型,電機(jī)的空載氣隙磁密變化如圖4所示。從圖4中可以觀察到,兩種方法對(duì)氣隙磁密的影響趨勢(shì)基本相似。然而,通過局部放大圖像可以明顯看出,使用互相迭代法獲得的氣隙磁密要大于使用雙向耦合方法得到的結(jié)果。是因?yàn)楫?dāng)溫度相同時(shí),互相迭代法在考慮電機(jī)電磁參數(shù)的前提下,還考慮了導(dǎo)熱系數(shù)和散熱系數(shù)對(duì)電機(jī)溫升的影響,從而使電機(jī)具備更出色的導(dǎo)熱性能,促使電機(jī)溫度降低,明顯增加了永磁材料的剩磁,提高了氣隙磁密。對(duì)比局部放大圖像可知,雙向耦合法得到的氣隙磁密為0.646 T,而互相迭代法得到的氣隙磁密為0.649 T,兩者相差僅0.005 T,約為0.5%。

圖4 電機(jī)氣隙磁密對(duì)比Fig.4 Comparative analysis of air gap flux density of motor

圖5為空載反電動(dòng)勢(shì)對(duì)比波形圖。圖5中兩種方法的空載反電動(dòng)勢(shì)基本一致,但從局部放大圖像中可以看出,雙向耦合法的空載反電動(dòng)勢(shì)為104.27 V,互相迭代法的空載反電動(dòng)勢(shì)為104.80 V,相差0.53 V,約0.5%。對(duì)比圖4空載氣隙磁密可以看出,兩種方法得到的氣隙磁密和空載反電動(dòng)勢(shì)相差均約為0.5%,所以迭代方法對(duì)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)的影響與對(duì)氣隙磁密的影響基本一致。

圖5 電機(jī)空載反電動(dòng)勢(shì)對(duì)比Fig.5 Comparative analysis diagram of no-load back electromotive force of motor

2.3 電機(jī)損耗對(duì)比分析

電機(jī)運(yùn)行時(shí),溫度升高會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗變化,因此對(duì)電機(jī)損耗進(jìn)行準(zhǔn)確的分析至關(guān)重要。本文所分析的屏蔽式永磁同步電機(jī)在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的損耗主要包括:繞組銅耗、定子鐵耗、屏蔽套損耗以及轉(zhuǎn)子渦流損耗。這些損耗轉(zhuǎn)化成熱能在電機(jī)內(nèi)部各部分之間傳遞,進(jìn)而影響電機(jī)內(nèi)部溫度場(chǎng)的分布。

本文將根據(jù)負(fù)載率的變化對(duì)電機(jī)的繞組銅耗、定子鐵耗、屏蔽套損耗以及轉(zhuǎn)子渦流損耗進(jìn)行分析,為下文的效率和功率因數(shù)提供依據(jù)。電機(jī)的銅耗隨負(fù)載率變化如圖6所示。

圖6 電機(jī)銅耗對(duì)比Fig.6 Comparative analysis of copper consumption of motor

從圖6中可以看出,采用兩種方法獲得的銅耗都隨著負(fù)載率的增加而增大,但計(jì)算結(jié)果存在差別。當(dāng)負(fù)載率從20%增加至100%時(shí),采用雙向耦合法銅耗增加了88.71 W,采用互相迭代法銅耗增加了86.17 W。當(dāng)負(fù)載率為100%時(shí),采用雙向耦合法獲得的銅耗為112.21 W,采用互相迭代法獲得的銅耗為108.77 W,此時(shí)兩者相差最大,相差了3.15%。在溫度相同的情況下,本文采用的互相迭代法產(chǎn)生的銅耗比磁熱雙向耦合法產(chǎn)生的銅耗小,這是因?yàn)椴捎玫幕ハ嗟ㄔ诘罂紤]了導(dǎo)體的導(dǎo)熱系數(shù)和散熱系數(shù)的影響,溫升較之前未考慮的情況下要低,從而使繞組的電阻值降低。銅耗與繞組的電阻值成正比,所以導(dǎo)致銅耗減小。

電機(jī)的鐵耗隨負(fù)載率變化如圖7所示。從圖7中可以看出,隨著負(fù)載率增大,鐵耗在不斷增大。當(dāng)負(fù)載率從0增加至100%時(shí),采用雙向耦合法得到的鐵耗增加了5.35 W,采用互相迭代法得到的鐵耗增加了5.28 W。當(dāng)負(fù)載率為60%時(shí),采用雙向耦合法獲得的鐵耗為26.3 W,采用互相迭代法獲得的鐵耗為26.5 W,兩者相差最大,相差了0.9%。本文采用的互相迭代法所產(chǎn)生的鐵耗更大,這是由于其考慮了溫度場(chǎng)中電機(jī)材料導(dǎo)熱系數(shù)和散熱系數(shù)的影響,得到的鐵耗更大。

圖7 電機(jī)鐵耗對(duì)比Fig.7 Comparative analysis diagram of iron loss of motor

電機(jī)的屏蔽套損耗隨負(fù)載率變化如圖8所示。從圖8中可以看出,在負(fù)載率為100%時(shí),采用互相迭代法獲得的屏蔽套損耗為241.94 W,采用雙向耦合法獲得的屏蔽套損耗為244.58 W,兩者相差最大,相差了1.09%。從圖中可知采用互相迭代法所產(chǎn)生的屏蔽套損耗更小,而雙向耦合法由于并未考慮溫度場(chǎng)中導(dǎo)熱系數(shù)和散熱系數(shù)的變化,仿真計(jì)算得出的屏蔽套損耗較高,沒有考慮實(shí)際情況的影響。

圖8 電機(jī)屏蔽套損耗對(duì)比Fig.8 Comparative analysis diagram of motor shield loss

電機(jī)的轉(zhuǎn)子渦流損耗隨負(fù)載率變化如圖9所示。從圖9中可以看出,隨著負(fù)載率的增大,轉(zhuǎn)子渦流損耗在不斷增加。當(dāng)負(fù)載率從0增加至100%時(shí),采用雙向耦合法轉(zhuǎn)子渦流損耗增加了14.65 W,采用互相迭代法轉(zhuǎn)子渦流損耗增加了14.33 W。當(dāng)負(fù)載率為100%時(shí),采用雙向耦合法獲得的轉(zhuǎn)子渦流損耗為17.56 W,采用互相迭代法獲得的轉(zhuǎn)子渦流損耗為17.15 W,兩者相差最大,相差了2.4%。

圖9 電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗對(duì)比Fig.9 Comparative analysis of eddy current loss of motor rotor

圖6～圖9中分別介紹了各部分損耗與負(fù)載率、分析方法之間的關(guān)系,這些分析結(jié)果將為下文對(duì)電機(jī)的效率和功率因數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確分析提供依據(jù),使結(jié)果更貼近實(shí)際情況,并為后續(xù)電機(jī)溫度場(chǎng)的分析提供準(zhǔn)確性支持。

2.4 電機(jī)效率和功率因數(shù)對(duì)比分析

本節(jié)基于互相迭代法和雙向耦合法對(duì)電機(jī)效率和功率因數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。圖10所示為屏蔽式永磁同步電機(jī)效率與負(fù)載率的關(guān)系,表2所示為兩種方法的效率對(duì)比列表。

表2 電機(jī)效率對(duì)比Tab.2 Comparative analysis diagram of motor efficiency %

圖10 電機(jī)效率對(duì)比Fig.10 Comparative analysis diagram of motor efficiency

從圖10中可以看出,電機(jī)效率是隨負(fù)載率的變化而變化的。從表2中可以看出,當(dāng)負(fù)載率為20%時(shí),采用互相迭代法得到的效率為27.539%,采用雙向耦合法得到的效率為27.751%,兩者相差最大,相差了0.77%。

屏蔽式永磁同步電機(jī)功率因數(shù)與負(fù)載率的關(guān)系如圖11所示。從圖11中可以看出,當(dāng)負(fù)載率為25%時(shí),采用雙向耦合法下電機(jī)的功率因數(shù)為0.724,采用互相迭代法下電機(jī)的功率因數(shù)為0.727,兩者相差最大,相差了0.5%。在負(fù)載率低于20%時(shí),其功率因數(shù)升高明顯。在負(fù)載率為60%～100%時(shí),功率因數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖11 電機(jī)功率因數(shù)對(duì)比Fig.11 Comparative analysis diagram of motor power factor

功率因數(shù)表示為有功功率與視在功率之比,反映了電力系統(tǒng)的供電能力和線路損耗。等效視在功率的計(jì)算式為[20]

Se=3UeIe

(10)

功率因數(shù)的計(jì)算式為[21]

(11)

式中:Ie和Ue分別為電流和電壓,且為等效定義值;P為有功功率。

本節(jié)主要對(duì)電機(jī)損耗與負(fù)載率之間的關(guān)系進(jìn)行了分析,為接下來的負(fù)載率與效率、功率因數(shù)之間的關(guān)系分析提供了基礎(chǔ)。同時(shí),損耗的數(shù)值也將用于下文計(jì)算溫度場(chǎng)中的生熱率,從而實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確且實(shí)際可行的電機(jī)溫升計(jì)算。

3 環(huán)境溫度對(duì)屏蔽式永磁同步電機(jī)溫度場(chǎng)影響

3.1 電機(jī)溫度對(duì)比分析

電機(jī)的溫度變化結(jié)果如圖12所示。從圖12中可以看出,采用兩種方法電機(jī)的溫度都隨負(fù)載率的增加而增大,當(dāng)負(fù)載率從0增加至100%時(shí),采用雙向耦合法,電機(jī)整體溫度升高了16.881 ℃;采用互相迭代法,電機(jī)整體溫度升高了15.419 ℃。當(dāng)負(fù)載率為100%時(shí),采用雙向耦合法電機(jī)的溫度為99.1 ℃,采用互相迭代法電機(jī)的溫度為93.2 ℃,兩者相差最大,相差了5.5%。造成這種現(xiàn)象的原因是在環(huán)境溫度相同的情況下,本文提出的互相迭代法考慮了溫度場(chǎng)中導(dǎo)熱系數(shù)、散熱系數(shù)的影響,導(dǎo)致溫度相對(duì)于雙向耦合方法更低,更貼近于實(shí)際情況,為以后電機(jī)電磁特性和熱特性提供更為準(zhǔn)確的分析。

圖12 電機(jī)溫度對(duì)比Fig.12 Comparative analysis diagram of motor temperature

3.2 電機(jī)溫度分布

電機(jī)各部件不同方法下的溫度如圖13所示。從圖13中可以看出,采用磁熱耦合法下電機(jī)的整體最高溫度為99.02 ℃,永磁體最高溫度為95.55 ℃,繞組絕緣和定子屏蔽套的最高溫度為99.02 ℃;采用互相迭代法下電機(jī)的整體最高溫度為93.17 ℃,永磁體最高溫度為90.18 ℃,繞組絕緣和定子屏蔽套的最高溫度為93.17 ℃。造成這種現(xiàn)象的原因是,在環(huán)境溫度為30 ℃的情況下,磁熱耦合法并未考慮電機(jī)導(dǎo)熱系數(shù)和散熱系數(shù)對(duì)電機(jī)溫升的影響,這才導(dǎo)致了溫度升高。

圖13 電機(jī)各部分溫度分布Fig.13 The temperature distribution of each part of the motor

3.3 環(huán)境溫度對(duì)溫升的影響

環(huán)境溫度是電機(jī)運(yùn)行的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),會(huì)直接影響電機(jī)的散熱和工作效率。高溫環(huán)境可能導(dǎo)致電機(jī)過熱,降低效率,甚至縮短電機(jī)的壽命。因此,了解電機(jī)在不同溫度條件下的性能變化是至關(guān)重要的。

環(huán)境溫度與溫升之間的關(guān)系如圖14所示。從圖14中可以看出,當(dāng)負(fù)載率為100%時(shí),環(huán)境溫度為-30 ℃的電機(jī)整體溫度升高了66.525 ℃;環(huán)境溫度為0 ℃時(shí)的整體溫度升高了64.624 ℃;環(huán)境溫度為30 ℃的電機(jī)整體溫度升高了63.168 ℃,此時(shí)相差最大。環(huán)境溫度越低,溫升越高。

圖14 電機(jī)溫升對(duì)比Fig.14 Comparative analysis of motor temperature rise diagram

4 結(jié)語

為了提高屏蔽式永磁同步電機(jī)溫升計(jì)算的準(zhǔn)確性,本文提出了一種新的互相迭代計(jì)算方法,在考慮電機(jī)物性參數(shù)的同時(shí),還考慮了電機(jī)溫度場(chǎng)導(dǎo)熱系數(shù)和散熱系數(shù)對(duì)電機(jī)溫升的影響?；谶@種方法又分析了環(huán)境溫度對(duì)于電機(jī)電磁場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響,得出如下結(jié)論:

(1) 對(duì)比傳統(tǒng)磁熱雙向耦合法,本文所提出的互相迭代法可以考慮電機(jī)導(dǎo)熱系數(shù)和散熱系數(shù)對(duì)電機(jī)的影響,這樣可以使電機(jī)溫升計(jì)算更準(zhǔn)確并貼近實(shí)際。

(2) 環(huán)境溫度為30 ℃時(shí),電機(jī)整體溫度約為93.17 ℃,溫度升高了63.17 ℃;環(huán)境溫度為0 ℃時(shí),電機(jī)整體溫度約為64.624 ℃,溫度升高了64.624 ℃;環(huán)境溫度為-30 ℃時(shí),電機(jī)整體溫度約為36.525 ℃,溫度升高了66.525 ℃。環(huán)境溫度越低,導(dǎo)致的溫升會(huì)越高。