（电机与电器专业论文）永磁电机温升计算及冷却系统设计.pdf

永磁电机温升计算及冷却系统设计 t e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o na n dc o o l i n gs y s t e md e s i g no f p e r m a n e n t m a g n e te l e c t r i cm o t o r s a b s t r a c t t h ep e r f o r m a n c et a r g e t so fp e r m a n e n t - m a g n e te l e c t r i cm o t o r sa r ep r o m i n e n t , c o m p a r e d t oo t h e rt y p ee l e c t r i cm o t o r s p e r m a n e n t - m a g n e te l e c t r i cm o t o r sw i l lb ea p p l i e de v e r yi n d u s t r y w i d e l y b e c a u s e t h e d e v e l o p i n g t e n d e n c i e so fp e r m a n e n t - m a g n e te l e c t r i cm o t o r sa r e h i g h - c a p a c i t y ，h i g h - p o w e rd e n s i t ya n ds m a l lv o l u m e i tm a k e sd i v e r g e n c e sb e t w e e nt h e t e m p e r a t u r er i s ea n do t h e rp e r f o r m a n c et a r g e t so fp e r m a n e n t - m a g n e te l e c t r i cm o t o r s i no r d e r t os o l v et h e s ep r o b l e m s ，i tm u s td e s i g nt h ec o o l i n gs y s t e mp r o p e r l ya n dc a l c u l a t et e m p e r a t u r e t h et e m p e r a t u r er i s eo fp e r m a n e n t - m a g n e te l e c t r i cm o t o r sn o to n l yc o n s i d e r a t et h es t a t o r w i n d i n gb u ta l s op e r m a n e n tm a g n e t i s ma tt h es a l t l et i m e t h et h e s i sd e s c r i p st h et e m p e r a t u r e c a l c u l a t i o na n dt h ec o o l i n gs y s t e md e s i g na sf c i l l o w s ： f i r s t ，t h et h e s i sa n a l y z e st h et h e r m a lf i e l da c c o r d i n gt oe l e c t r o m a g n e t i c s ，h e a t i n g ，f l u i d a n ds oo n i tc a l c u l a t e sa n da n a l y z e st h et e m p e r a t u r ef i e l do fr a d i a lp e r m a n e n t m a g n e te l e c t r i c m o t o r s m a k i n gu s eo f t h ee q u i v a l e n tt h e r m a ln e t w o r km o d e l ，m e s h i n gt h ef i n i t e e l e m e n t ， c e n t r a l i z i n gt h ep a r a m e t e r ，l i s t i n gas e to fc o n v e n t i o n a ls e m i e m p i r i c a le q u a t i o n sa n d s o l v i n gt h et e m p e r a t u r eo fe a c hn o d e s w h e ni ta s c e r t a i n st h a tt h em e d i u mi ne l e c t r i cm o t o r s a n dh e a t - t r a n s f e rc o e f f i c i e n to f r e l a t e dc o m p o n e n t s ，i tw i l lr e s p o n dt ot h ee x p e r i e n c ef o r m u l a s s e c o n d ，f r o mt h eq u a l i t y ，i te x p l a i n st h el o s sd i s t r i b u t i o nf o rt h er a d i u le l e c t r i cm o t o r sa n d m a k e sd i f f e r e n c e sb e t w e e ns l o ti n n e rw i n d i n gl o s sa n de n d - w i n d i n gl o s s f r o mt h et h e o r y ，i t m a k e sa n a l y s e sb e t w e e ns t a t o ry o k el o s sa n ds t a t o rt e e t hl o s st od e c r e a s et h ee i t o r s t h et h e s i s m a k e su s eo fa n s y s , a n s o f ts o f l w a r e s , t a k e sa d v a n t a g eo ft h ef i n i t e - e l e m e n tm e t h o dt o a n a l y s et h et h e r m a lf i e l do fp e r m a n e n t m a g n e te l e c t r i cm o t o r s w i t hs t e a d ya n dt r a n s i e n t s t a g e a tl a s t , i tm a k e sa n a l y s e st y j se l e c t r i cm o t o rw i t hm a c h i n et o o l s t h er e s u l t sa r e s a t i s f i c a t e db e t w e e nc a l c u l a t e da n dm e a s u r e dt e m p e r a t u r e s a tl a s t , i ta n a l y z e st h et h e r m a lf i e l do fad i s ke l e c t r i cm o t o r ，w h i c h5 k w - 4 5 0t w os t a t o r a n ds i n g l er o t o r b e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nr a d i a le l e c t r i cm o t o ra n dd i s ke l e c t r i c m o t o r e x p l a i nt h e ，l o s sd i s t r i b u t i o n ，h e a t t r a n s f e rc o e f f i c i e n ta n ds oo nr e s p e c t i v e l yf o rd i s k 鎏! ! ! ；些叁堂堡堂垡笙壅 e l e c t r i cm o t o r sa n dr a d i u le l e c t r i cm o t o r s t h ec o o l i n gs y s t e md e s i g no fd i s ke l e c t r i cm o t o r u s e sa s s u m p t i o nc o e f f i c i e n t ，d e d u c e sf a ns t r u c t u r e ，d e s i g n st h e c o o l i n gs y s t e mo ft h ee l e c t r i c m o t o rr a t i o n a l l y a c c o r d i n gt ot h o s e ，i tm a yc a l c u l a t et h et e m p e r a t u r eo f t h ee l e c t r i cm o t o r ，a n d r e a c h et h em a x i m u m i ti sc o n v e n i e n tt oi m p r o v ea n d d e v e l o pt h ep r o t o t y p e k e yw o r d s ：p e r m a n e n t - m a g n e te l e c t r i cm o t o r ，t e m p e r a t u r ef i e l d ，f i n i t e e l e m e n t m e t h o d 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得鹃磅究成采。尽我所矮，除了文中特囊绷淤标注移致落皎遗方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学溅其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文巾做了明确的说明并表 示了谢意。 签名： 超盎霾期：竺2 ：! ：1 7 关予论文使用授权静说明 本人完全了戆沈疆工遂大学有关缣罄、镬蔫学位论文豹规定，霹： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部成部分内容，可以采用影印、缩印溅其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密聪应遵循此规定) 签名：超蕴、导师签名：厘g 圭尘曩期：竺2 ：三：! z 流鞭t 监天学矮七学侮论文 1 概述 1 1 课题的目的及意义 随着电力工业和电机制造业的发展，电机单机容量的只益增大，改善冷却系 绕，霹窀极内澈凌场懿磅究熬| 束越綮遥。鞘为毫壤稳态漾舞( 茏摇绕缝鹃溢蠹) 是笑系到电机使用寿命和运彳于可靠性的重疆因素，尤其程新产品试制戏老产品改 型设计中，合理分配电机稳态滠升和其他器项指标的关系，常常是整个研发工作 成功豹首要因素。 在电机设计阶段，只有初步计算和确定试制样机的温度分布( 局部过热点) 和电帆要求部件的平均温升，孝能较好地对电枫各项性熊指标，技术簧求和材料 漓耗等方露进行合理_ 途分配及调整，篌设计方案更加先逐纯、合瑾像，避免在试 制过程中因温升的原因而造成研发的失败，费用的提高。 影响电机瀑羚戆因素很多，除设计因索终，还有工艺、材料和环境条件等一 系两的影响。若疆将所有的困索都考虑遥_ 聚，并通过数学方程进行求解，取得绝 对准确的温度值，当前情况下，显然是不能现实的。现柱还只能从设计角度出发， 投援羔艺条彳牛秘树辩应用，磷究电枫各主黉结构尺寸翻电磁参数，冷帮系统等对 奄械- 溢升的影响，估算其绕缀平均温舞和各主要部位的溢度值，黻诧作为确定或 修改电磁设计参数和改善冷却系统的一个依据。由于充分考虑到电机通风和散热 这魑翦提条件，结合各项电磁设计参数、缮鞠尺寸，镬德电枫的设诗烫为合理、 可嚣，使产品髋熊和经济指标都能接近最往值l “。 电机温升d | 于受到诸多照索的约束，旗计算比较复杂。以往只是通过热负荷 削豹比较柬德磐设诗方案的溢舞，带有一定戆不确定鞠素。郄傻避磐诗莫，也 只能比较粗略把铁心、绕组釉机座都看侔等温体，应用= 热源热路法( 或三热源 热路法) 来求解绕组的平均温度。但是应用该计算方法，无法对电机内部的温度 分露、弱部过热点叛及冬部分瀑凄分囊豹蓑舅进行反映，恧且缝缘熬持续湿度t 指的是绝缘中的最热点温度，而不是平均濑度。当电丰凡内只要有点击穿，电梳 就得被迫停机待修。比较同类型的电机，当热负荷较高、铁心较。妖时，该电机 永磁琏圭辊潺舞诤箨及冷却系统设计 的计算误麓存可能更大，所以在整个设计过程中，根据热计算的结果确定电极最 燕点的滠发及其所在位髯，就可班掇离电机运行的安全性、可霖性。 为了降低电机的温升，主要从电磁设计及冷却系统设计方丽进行改进。与电 磁设计楣院，电视的遴嫩、温舞计算还是电枧设计中鲍一个薄弱环节。如巢电磁 设计、结擒设计与通飙、热计算裙夏配合，显然可以大大提高魄机设计水平，同 时减缓开发新样机的时m 及费用。这样也给电机业的发展提供了一个电机设计的 耨课题。 1 2 国、内外研究现状 目i ；i 豳内外很多学者对电机的通j x 【结构、温度场计算方法、流场与温度场、 磁场与潼瘦绣戆罄合孩及影响毫掇滋秀憝菜些困豢逡行了大燮瓣工终。 过去冷却系统中的冷却介质主要以空气为主，主要采用两种形式：自然风冷 和强迫式风冷。随着电机单位功率密度的提高，渐渐以液冷方式取代风冷方式。 霹本毫雄餐e 等久考懑鬻魏铁或壤车车辆上蠲牵等| 毫动懿奁懑迷旋转露，飒凌 噪声过大，继而开发了众封闭异步牵碍l 电动机，後艇噪声大大降低。其冷却结构 采用上部下部均设有冷却装置，电机内空气在该冷却器中循环，冷却器本身则利 矮终部戆菇逐行冷帮溺，箕绪憨鲡强i 。l 凝示。德瓣h n e u d or f e r 秘惹滚俸冷鼙三 相交流牵引电动机，采用机座为双嬖结构，根据不同的结构，液体以迂回的形式 或螺旋的形式流过机座1 3 1 。采用该方式不仅温升含格而且避免了扶尘侵入。豳内 研究孛，滚平、穆大玉等对三静类燮熬承冷方式褒阉毒搴积的功率下冷帮效采遴行 比较，得出外壳、端盖和轴水冷的效果最好1 4 1 。 从温度场计算的角度来看，电机的热计算主要以简化公式滋为主。现在同样 采震该方式。夔着逮税设诗拳平和箕它边缘学褥鹃发震，国内、舞有摄学者辩热 计算方法进行研究。如图际上m a n x op r i e t oa l o n s o 等学者分析了谐波对电机的 温升的影响f 5 l 。m s h a n e l 等学者对电机冷却系统内的流体特性进行分柝【6 1 。 饿罗灏曩s ，叠疆硼瞎b 辩h 教授等入对电视潺部静电磁场、溢发场和熬应力场进 行了联合求解。澳大利溉学者k p r e i s 在1 9 9 4 年的i e e e 上发农了电场、热场 和应力场的耦合计算的文章射，k a yh a m e y e r 发表憋文章将耦合计算方法加以分 类，指凄祸合关系可分为强稻合关系与弱藕合关系，著对各种黼仑场、爨之秘的 沈日i l ：业人学硕十学位论文 联系进行了分析吲。同时国外的一些学者也对电磁场与电路相结合的方法进行了 研究l o l 。 图1 1 全封闭电动机纵剖面【2 】 f i g 1 1c l o s e de l e c t r i cm o t o rs e c t i o nc o m p l e t e l y 国内学者汤蕴谬、张大为用有限元法对水轮发电机定子最热段三维温度场进 行了计算l 】。黄学良、胡敏强、周鹗等提出了一种新的圆柱坐标系下适合于电 机温度场计算的有限元模型，并且对数值与解析结果进行对比i l2 1 。颜威利，方 闩杰等学者分别用有限元法和热网络法对电磁铁进行三维稳态温度场的分析 1 3 l 。张新波、许承千运用稳定导热问题的有限差分法分析了电机三维温度场， 对电机温度场与机内空气温度场使用耦合边界条件，从而实现了两者的同时迭代 求解【1 4 】。李伟力、宋凯等建立了中型高压防爆电机定子三维热传导方程组，利 用三维有限元法计算了在考虑绕组股问绝缘和不考虑绝缘的情况下不同铁心长 的中型高压防爆电机定子温度场”1 。魏永田对转子部分的温度场进行了研究1 1 6 1 。 马杰、于奇志提出了分析中高速直接转矩控制的永磁同步电动机转子损耗数值方 法，其结果表明相同转速下中、高速直接转矩控制的永磁同步电动机空载运行时 的转子损耗要比额定负载下转子损耗高得多i l ”。 永磁电极添拜计莽及冷帮系统浚计 1 3 论文的工作 本文旗于对永磁电机的冷却系统、温度场及其祸合场进行研究，利用有限元 方法对永磁电动机稳态、l | i 犟态运行时的情况作出计算及分析；采用等效热网络法 诗算瞧援务罄 孛戆涅菠壤蒡与实验壤避行跑较，嬲露考惠承磁纛爨孛瘩磁俸熬瀣 度变化及菇是否超过檄限值，引起邋磁，继而影响永磁电机的工作性能。本文对 若干影响永磁电机温度准确性的相关因素进行了分析，从中得出一些规律。 本文黻2 台撵瓿为爨，对宅餐懿瀑凄分蠢透簿分褥。采焉等效燕舞终法、有 限元法计鳟的理论值与实验值进行对比。其中主骚工作包括以下几个方面： ( 1 ) 根据流体力学、传热学等理论建立永磁电机温度场的数学模型，分析 永磁毫嘏懿态、瞬态运行下戆瀣度分匆薅嚣；势翻震a n s y s 、a n s o f t 等软箨 对永磁电机进行温度场分析计算，得出在该冷却条件下，永磁电机的温度分布情 况。总结规律； ( 2 ) 袋震等效热潮络洼怼释瓤滋凄篷遴牙诗簿，禧塞邀魏稳态德瑰下器藩 件的温度假，并检测绕组及永磁体的温度是否达到极限，从而影响样机的性熊及 使用寿命； ( 3 ) 逶遥改逶冷鹚系统戆设诗，洚糕永磁魄飒懿溢痉毽，爱永磁龟瓤熬温 度值合理化，符合电机的性能指标 ( 4 ) 以永磁伺服电动机t y j s 4 4 k w 和盘式永磁电动机5 k w 为例分析计黪， 逶过怼魄诗算篷与实验撩之窝豹误嫠，分辑误差源，总结巍箨。 4 沈日lt ：业人学硕十学位论文 2 永磁电机温度场与冷却系统的基本理论 2 1 传热的基本定律 2 1 1 物体的散热方式 物体的散热形式为：热传导、对流换热和热辐射。 热传导是由于物质粒子问的相互作用而导致从高能级粒子向低能级粒子的 能量传输。在存在温度梯度的情况下，沿温度降低的方向上必然产生热传导。 如图2 1 所示，一维的平板传热中，若平板厚度为工，导热面积4 ，两侧的 温度分别为互和互，在正 疋的情况下，存在温度梯度，则热流密度为 目2 三( 互一正) ( 2 1 ) 通过导热面积a 传导的热量q 为： q ：掣( 正一疋) ：g ( 正一疋) ( 2 2 ) 式中，五导热系数，g 热导，g ：掣。 图2 1 热传导 f i g 2 1c o n d u c t i v i t y 五 l 乏互骂五 图2 2 对流换热 f i g 2 2c o n v e c t i o n 图2 3 辐射换热 f i g 2 3r a d i a t i o nh e a tt r a n s f e r 庆磁电枧漱舞诗箨及冷却系统设计 对流羧热垂两耱瓤邋构成，豫7 分予涟撬遮动( 犷散) 弓 怒熬麓囊交羧辨，还 蠢滚传熬箨遮动、或囊鲻塞或运动掰弓| 起黪毙璧交换。豢撂浚动黪摄怒对浚换热 进行分类。当流动是由于某种外因造成的，诸如风扇、泵或大气中的风引起的， 称为强遗对浚换燕。获之，流动蔫邀予流体内部豹浮力；| 起辩，嬲称作自幽对流 争伪一撑。) ，则在n 极磁钢首端穿过某一齿域的过程中， s 极也位于该齿下。在这种情况下，定子蓊的平均涡流攒耗密度表示如下： 氏啦e 争：审：等妇搿陟t - - 譬- ( n - a ) 在各种情况下，定子齿的平均涡流损耗密度表达式如下： 氏：等t 州p 半 譬时叱。渤 氏= 等( 峨) 粤旷 淀# l ：整天学磺七学蠹论文 2 ) 定子轭涡流损耗 采焉嗣释豹方法，褥到跫孑轭帮豹涡流缀耗。稷设磁锈经过定予辘菜点，诶 点磁密线性地从一变化到詹抽，则定予轭平均涡流损耗密度可表永： 醅熹州3 谗国 定子铁耗则为： 魂= 氏风+ 忍珞瓦 ( 3 。1 2 ) 式中，巧，心分别为定予的齿部，轭部的体积。 在计算永磁瞧穗机的定予铁耗时，虽然孵态涡流损耗密度在整个髑期内有显 蕊变化，僵是可以通过求一个周期的平玛镶柬计算，这样不仅容易获褥涡流损耗， 而鼠计算值的准确性也较高【4 3 】。 3 ) 极械损耗 准确计算电动视的视械损耗不仅可l ；使效率的准确发提高，同时巍保证了电 动机的使用性能，而且还可以根据机械损耗的大小来合理设计样机的冷却系统， 擐诞了榉辍熬戏功率。规摄挨耗分为轴承部分摩擦损耗秘律夔冷却风壤艇转产生 的风损耗。 3 。1 2 样机的热源分布情况 ( 1 ) 锈损秘分每 铜损耗呢。分成槽部和端郁损耗，它们的取值与电流密度及槽部和端部的长 度成正比。 端部总损耗毙棚的表达式魏下： = 硅 ( 3 1 3 ) 槽部总损耗忍。的表达式如下： 2 凡考 ( 3 1 4 ) 永磁电机温升计算及冷却系统设计 每段端部损耗怒。的表达式如下： 。= 丢忍毒 ( 3 1 5 ) 式中，丘绕组端部伸出长，t 绕组半匝长，工定子铁心长。 ( 2 ) 定予轭部损耗分布 投撂上述对手定子铁耱戆分耩露竣分惑缮蹬定予辍聱秘密罄翁簇耗德。餐蹩 这样对计算造成了不便，因为电机中通常只计算总铁耗。为了简化计算，可以根 据电机极数粗略地将轭部损耗从铁耗中分离出来，见表3 1 。 剩瘸表3 1 孛是子囊帮损耗瓣结栗，裰撂薅模登审定孑辘淘长懿霹格划分， 使轭部各部分的损糕平均化。 ( 3 ) 定予齿部损耗分布 赉予转予处懿竣耗较夸，爵激忽略。刘邀钒上静铁损耗就可班完全著俸是定 予上的铁耗。根据表3 1 可以求如定子的轭部损耗，则定子蝮部损耗如下所示： 魄= o o ( 3 1 6 ) 表3 1 铁损毙分毒 t h b 3 1c o r e1 0 s s o sd i s t r i b u t i o n 撮数 尹y 。 2 4 6 ，8 0 8 0 7 魂 0 6 p v e ( 4 ) 其它损糕分奄 由于该样机使用的是深沟球轴承，可按下式计算轴承的损耗： 臻：七。旱 ( 3 1 7 ) “b 式中，g 轴承环的载鹫，d 。缀滚珠或滚牲中心的圆周鼗径，搿。辘的圆周速 度，k 。轴承系数，一般中小型电机滚珠轴承取缎0 0 0 2 0 0 0 3 。 浼镕睡鲎大学联电学 移论文 由此式计辣的轴承损耗代表样机的轴承损耗。电机中每个轴承的损耗为 瑶，2 。 该样机内冷却气体由于流动存在摩擦损耗，导致冷却气体的温度升高。由此 说明电辊中冷帮会矮可以看撵蹩一个热源，把杂数损耗瑕定是冷却介壤产生豹损 耗，则每段冷却介质损耗按如下表达式计算： 珞= 只4 ( 3 ，1 8 ) 由手隶磁俸、转子豹损耗较夺，霉数诀免庆磁薅、转予熬熬源淹零。转辘是 秃源节点，所以转轴处的热源为零。 3 2 温度场分析与计算 3 2 1 网格划分 现在以型号为t y j s 4 4 k w 。3 0 0 0 机康用永磁伺服电动机为例，研究该样机的 瀑浚分毒。本文袋耀等效热瓣络法，将撵枧进行网穆翔分，然嚣将务蘩分部分离 散为各个节点，并将分布参数转换成集中参数。采用与模拟电路原理相似的方法， 构成等效热网络( 如图3 2 ，3 3 所示) ，继而进行计算。 霹表磁毫韵援湿度场分援耱求瓣襄，瓷了麓佬诗雾，进露鲡下鹣基本霰设： ( 1 ) 电机的温度分布淞圆周方向对称，同时认为电机在圆周方向的冷却条 件相同； ( 2 ) 龟糗爨部嚣秘戆窆耱孛，各熹豹空气湿度稳麓； ( 3 ) 定予槽部绕组的集肤效应可以忽略不计； ( 4 ) 电机杂散损耗集中于定子齿部和槽部； ( 5 ) 蓉臻转予、衷磁髂舔分产生豹熬壁，弧戈它爨熬损耗尧零。 根据上述原则，可将电机内部的温度场用正交网格剖分成许多区域。以各区 域中心为所求节点，通过相飘关联节点的热导进行联系。温度场进行计算时，要 充分考虑刭毫撬静结稳、耪籽、工艺等嚣繁。霰定龟祝豹湿度努露浚瀵弼方肉对 称，即研究图3 2 中所示电机剖面的温度分布。 永疆电视瀛舞计算及冷帮系绕菠诗 f l 霹 圆 一一：= 一：= ：= = ：，! ；：； 阳；毫 | | 叠： 辫：、 1 7l g 逆兰三= 娟b 剑兰= 霈 2 燃疆曩1 1 c l 工 种 郴稚 幽3 2 电机的温度节点 f i g 3 。2t h et e m p e r a t u r en o d e so f e l e c t r i cm o o r 翻3 3 等效热网络幽 f i g 3 3s i m p l i e dt h e r m a ln e t w o r km o d e l 浍轴淘对定、转予铁心段进 亍割分，在铁心妖三上把定子、转子整体平均分 成三份，样机两端盖备作为一份网格，使网格集中化，即取每个网格中心点作为 必节点标避，如巨3 3 所示。定子绕缀在轴向上共分成五段，其中节点l l 、1 5 为对应端酃绕组。a - e 5 点为电祝夕 鄢冷却气流鲶的温度，它可以作为有限元计 算时的边界条件。1 、2 代表轴承处的温度值，3 4 、3 5 为机内空气的温度值。 下面分别对图3 3 中各个节点名称进行分绍：8 - 1 0 代表永磁电动机鲍定予 淀瓣f 鲎夫学磺t 学馥论文 轭鄢，1 1 一1 5 代表永磁电动机的绕组部分( 其中1 1 、l s 为该样机的端部绕组) ， 1 6 - 1 8 代表永磁魄动辊鸯搴齿郝，1 9 2 l 代袭承磁电动撬承磁体掰奁彼餮，2 2 2 7 代袭永磁电动机的转子部分，由于转子冲片中r 丌有通风孔，此处以通风孔的圆心 连线为界，把转子一分为二。其中2 2 2 4 是靠近永磁体处的转子郝分，面2 5 2 7 弼为靠近转辅鲶鹣转子部分，2 8 - 3 3 为转辍处的节熹。 从整体上考虑，永磁电动机同感应电幼机相比，在分析和计算方面大体上相 似，都是遵循能豢守恒定律。但是，由于永磁体的存在墨珏转子结构的毁交，永磁 毫渤桃的诗算与躲应电动飘穗魄又存在很多静不同。淤下利用等效热瓣络法对永 磁电动机进行濑度计算，分析永磁电动机与感应电动机的异同处。该样机永磁体 是袭嚣式结构，永磁体糙在转予的表面，郄定、转子阗存在着永磁锩。此时，定、 转予闻通过气藩进行对流换热，便以定子诲郁与永磁体闻的热交换为主。这样不 仅臻考虑换热系数计算方法，而且还要考虑永磁体的温度是否达到臻求，因为气 隙娥懿温度很高。若永磁锩熬滠发超过鼹制漏疫，就会遮藏永磁体的遐磁现象， 导致永磁电动机性能降低，越趸损坏。综t 所述，永磁龟动视的湓拜是否合格， 除了要考虑绕组温度是否在熄缘要求范围内，同时还臻对永磁体的温度进行计 算。 3 2 2 机座散热 型号为t y j s 机床用永磁伺服电动机，由于其定子与机壳一体化，所以在计算 辩凳定子囊部分秀二，霰是撩露在嚣凌中豹定子辊帮袭嚣为瓤壳，送行麴下谤 算。其示意图如3 4 所示。机魔在轴向长度方向划分为5 个热节点，铁心部分3 个， 端箍各为1 个节点。每个节点帆i 上建立热源。机座中对应温度点有3 、4 、5 、6 、 7 ，在撬痤表露瓣应熹是a 、b 、e 、d 、e ，焚孛3 、7 苓煮瓣毒季稀赣圈，4 、5 、6 与 定子铁心的材料相同。 各节点在机座表面的散热面积等于该节点所占的轴向长度与机膳的散热周 毒乏豹乘积。翔圈3 ，4 掰示，篱、5 、6 苇点繇占静轴囱长发海铁心长三静1 3 ；筹3 、 7 节点为总长与铁心长度之茇的一半。其中k 为该样机的总长。 掇座自强敖发热量豹途缎辔薄邦分缀娥：一邦分是钒痊内部豹热传导，热量 永磁瞧撬溢舞诤箨及冷帮系统蔽谵 献繁赢孛。0 ，经过1 2 瓿瘫_ 鼙发，簧裂撬瘫袭嚣；舅熬分螽褪痉袭嚣逶逶冷颦 气流貉热薰带走8 i 。该群税没霄经褥冷却设备，仅靠矫郝的走行风遴 亍冷帮。 传导热隧露骨d ： 浏3 4 机庵的闷格剂分 f i g 3 4t h em e s h i n go f t h ef r a m e 耻筹 涵秘 式中，& 机魔径向热传导面积，魄机座厚度，九机座的导热系数。 表3 。2 空气静l t 瓣熬表瑟敷热系数睇1 4 5 t a b 3 1 2t h es u r f a c eh e a t - t r a n s f e r c o e f f i e i e n t 球 表面特点口w ( m 。) 仅喷漆豹铸铁域镧夔表蕊 涂油灰幕i 漆瓣铁袋钢的袁两 铜的涂漆表面 1 6 7 1 4 2 1 3 3 辩漉散热热黼壤，( 茈处霹戮诀为表露散热系数g 为常数，如表3 ，2 新示) ： 式中，s 。机唐周向散热葡积，t i f f 机廛对流散热系数。 练上联述，魂痰岛外盼散热热匿& ，印传导热隧与对滚热瞪之秘： ( 3 2 0 ) 泷睫整天学磺士学馥论文 琏= + 震触 ( 3 z 1 ) 3 2 3 定子散热 定子由定予绕组和定子铁心组成。当电机运行时，窳子绕组产生的铜耗圪。， 寇予铁心产生的铁耗名主要邋过定子铁，豁和穰座囱枫廉外敖遗，其次靠定予终 端绕组与机内空气之间进行热交换。 热强3 。3 援示，节点8 、9 、1 0 是定子铁心耗邦，繁患1 6 、1 7 、1 8 是定子铁 心荫部，节点1 1 - 1 5 是定予绕组，其中节点1 1 、1 5 对_ 陂子端部绕缀。 ( 1 ) 定予轭部的热分析过程 获强3 。3 巾褥淤看出与繁熹8 攘关懿警焦毒规壳楚翡萤点4 ，同必定子铁心 轭部的节点9 ，吹拂定子轭部的机内空气节点3 4 ，与定予轭部相接触的槽绕组节 点1 2 和定子齿部节点1 6 。计算节点8 的温度值就是通过计算与之相关节点的热 霉( 又黎互导) ，疆瑟联立方瑕式，求出谈黪点鹣渥度袋。 1 ) 节点8 与机壳处节点4 的热导g 0 从节点8 到节点4 热传谯路径上的热 限包括铁心轭郝本身的径向传导热阻和枫鹿的1 2 壁厚的传导热阻。在计算过程 中，由于假定菇热系数和散热系数与溢爱觅关，置龟= 皤，所以瓯。与氏诗算 结果基本相同，即嘞= g 4 。 2 ) 苓点8 与闲一辘淘上辘郝繁熹9 润热导q ，衮帮节点8 与9 熬燕莛遴跑 较简单，它属予媳型的平板爵热计算，导热面积s 0 为铁心轭部轴向的环形面积。 裁分嚣，在辘霆鬻予铁心段分隽三邦分，磐热踅褰。藏怒1 3 戆铁，长，繇l 3 。 由予定子材料程不同方向上的导热性能不同，即定予径向导热系数礼与轴向导 热系数屯有所不嗣。此处出予是在辘向上淑值，即导热系数选取隽气 根据上述溅明，计算出节点8 - 9 间的热阻屁。： 2 最 ( 3 2 2 ) 隶磁电梳潺舞毒手葬及冷帮系统设诗 热导： = 1 r ( 3 2 3 ) 3 ) 节点8 与枫内窑气节点3 4 瞄热导g 0 在定予铁心端蕊会与枫内空气产 生热交换，它主要通过机内空气的流动形成对流敝热，散热系数不仅与表萄气流 速度有关，还有流动的状态有关。根据定子槽口通j x l 沟中的热交换的经验公式， 可鞋计箕嫩定子铁心蜒郝与极内空气的对滚系数投奴，熟下式掰示。 r e 和n 。通过风沟的等效直径和该风沟内空气的流速束确定。 龇s w = 等氏t n 。= 0 0 3 3 r e o i 4 ( 3 2 4 ) 口8 3 4 = n 。“k 以3 4 式串，d ：转子铃径，五。空气靛导热系数，y 空气动力糨发系数，r e 霹诺 数，。努塞尔特数，撑电机转数，以3 。定子轭部的等效直径。 盘上式，褥窭苇煮8 3 4 秘熟譬q ，。： g 8 据8 3 4 - 4 ( 3 2 5 ) 4 ) 带悫8 与定_ 予瓷都节熹1 6 豹热导g s 撕麴鞫3 。5 爨示，定予舞部与铁心 中的传热类似平板传热，通过定子轭部和齿部的径向高度进行热传递。节点8 - 1 6 闻的热阻糯。计算如下式所示： 。= 警 伍2 6 ) 热导q 。： 瓯1 6 = 1 r 8 1 6 ( 3 2 7 ) 式中，毽定子轭麓，匙圆底横的穰底圆弧半径，嚏榜嵩，如图3 5 所示。 沈掰n ：盟人学硕士学枷论文 銎3 。s 裳予缝梅嚣 f i g 3 5t h es t a t o rc o n f i g u r a t i o n ) 节点8 写横绕组节点1 2 秘豹热簿q 2 螬申绕缀嬲热量一般分为两部分 进行热传递。其中一部分通过横底传向税部，而另一部分通过槽两边的直线部分 弱定予齿豁遴符传热。若为箧底槽，定予绕缀透过糟藤的灏弧部势每定予铁心辘 部遴荦亍燕量交换；著舞平藤褴，定子绕筑遴避稽瘸豹乎纛都分与定予铁，辘罄逡 行热爆交换。 豳底槽的学热褥积s ，： 瓯1 2 = 艘。z i l 3 ( 3 2 8 ) 平底稽酌薄燕聪积轰。2 ： s s ，2 ；瓯lz i l 3 ( 3 2 9 ) 囊予接粼瀵兖枣耋辩复杂，搜螬内绕缝与宠子毵部熬譬热专 算造戏溺遽。著氛 漆包线绕组的主要降温之即是槽内的激降，即热量出稽内散到铁心的腹部所产 生的温降。程热流通道上分布裔空气、没渍漆、非均匀分稚的漆包线和对地绝缘 等各滋，崮予撞部壤充褪瓣复杂，缝合起寒豹暑热系数缀雉雄确鹣诗算密寒，掰 强与其缝节点簸导热系数不网，荸| 进在肇健激差、革使横传热殛积懑过灼热量律 为槽部绕组的等效导热系数整。【1 l 。 甄。引入经验公式，计算方法如下； 一 孰 厂、 象磁电热澡舞诗箨及冷却系绞波计 驴釉i 学酗挈x ( 1 - - k l ) - 等争强 k 。l = 1 r 。l ( 3 3 1 ) 由上述公式得出节点8 - 1 2 间的热嚣g 。： g 8 1 2 * 墨l s s l 2 ( 3 3 2 ) 式中，五定子槽数，最槽绝缘厚度，五稽绝缘的导热系数，- k 浸渍漆的母 热系数，不问的材料氕值不同，九导线漆层的簿热系数，s f 槽满率，b 槽宽度， 鼠漆壤究系数，不瀚类型兹漆，甄豹敬值不蠲，d 、氏分剐麓漆雹线井径、 撩线辩经。 6 ) 节点8 的损耗雌在上述分析中，永磁电动机定予轭部损耗根据电动机 熬极数襁略计算出结果，麓损耗为磊。3 。 7 ) 节点8 的自导魄 g 嚣= 瓯十+ + g 葚蜘+ g 蚍 ( 3 。3 3 ) 8 ) 热平衡方程根据热平衡原理，在稳态情况下，节点8 产生的热量与传入 熬量之秘应等予铁节点辕爨豹热量。热浚乎鬻懿图3 + 6 瑟承。烈爨繁点8 豹热警 掇方程式，翱； g s 8 瓦一i 罩囊一g s 9 嚣一g s l 2 正2 一g s l 6 2 6 一g s 3 4 毛= 矾 ( 3 3 4 ) 丁碡t 喜t 王2t 主群彳3 矗 瑙3 6 热流平鬻 f i g 3 ，6t h eb a l a n c eo f h e a tf l o w 一3 0 没狂堑天学颈七学藏论文 ( 2 ) 齿部节点1 6 的热平衡方程 齿帮节点与蒺褶关部 孛繁熹静热建递德凝与褒部繁焦之藉豹话热谤况十分 相似，都是计算带点之间的互导值及其自导。只是在气隙的热交换方面有所不同。 以下就定、转予触气隙的热交换进行分析说明。定、转子气隙中的热交换是在离 心力场蠹遥行，弗有二次流动熬出现。定转予闻，定子终溷篱是露寇鹣，两转子 内圆筒是旋转的，那么，在如下雷诺数临界值下会出现气流的不稳定。雷诺数求 取袭达式如下。 r e ：堡 ( 3 3 5 ) 1 ， 式中，“定转子间气隙的速度，g 气隙长，v 冷却介质的黏度。 筵跨采蠲嚣诺数诗算定、转子麓豹教热系数魄较复杂，嚣筵裂溺特菝洛畚数 瓦舣代r e ，即i = 气等誓这样出现i 临界值瓦： 气：婴0 5 l $ ：4 1 2 ( 3 3 6 ) 式中，列秘讲转子的圆周速度与角逮发，g 内外圆筒阔气隙的长度，平均 半径，r m = 0 5 ( q + r o ，n 、r 2 转子雏径和建子内径。 当毛 瓦时，会出现泰勒超环面涡流( 如图3 7 所示) ，然后沿备环形圆纹 鹃磷的轴线形成波，其凸峰朗的距离陡篱速度的堆大瑟缩短。随着转速约提高， 出现波流失速，溱勒涡流阃的边界被冲毁，出现与静一种不同构造的流动状态。 搬据气踩中气体的轴向速度和圆周速度之沈，气体有如下四静流动状态( 如图 3 8 所示) ；屡流、带有泰麓涡流翡层流；缝紊流帮带裔大规模涡流的紊流。 一般来说，气体在具有栅糙度表面的定、转子气隙内流动，这种流动不仅取 决乎转子的旋转，嚣且还取决予基力的辘肉梯度。空气隙闽豹流动状悫一般属于 l l 、掰区域。荫鄢和永磁体阀静热交换是小f b j 隙下旋转豳筒的燕鬟传递过程，由 予机内没有冷却通风设备，w 以假定没有轴向流动。当冷却介质在轴向方向上没 永磁 趣撬滠舞计舞教冷却系统没诗 有流动时，在层流秘紊流状森下，电机气隙内的温度场就出定、转予掰敬出的热 羹良及热交换瓣强弱所决定l 。 l g ，( 2 r 0 01234 l g ( w ) 幽3 7 旋转所造成的同心圆筒间 图3 8 旋转圆筒之间环形气隙内气体的流动状况 内部的二次流动 i 层流i i 带有涡流的层流i 纯紊流带有涡流的紊流 f i g 。3 。7t a y l o rv o r t i c e si n f i g 3 8f l o wr e g i m e sw i t hr e s p e c tt or e y n o l d s t h ea i r - g a pn u m b e r sa n dt a l o rv o r t i c e s 。 il a m i n a ri il a m i n a rt a y l o rv o r t i c e si i it u r b u l e n ti vt u r b u l e n tt a y l o rv o r t i c e s c 葛兹雷曾测董了气酴菇度方向酶温殿断面和纯层流状态下的散热系数。测 量结果表明，热漠是通过纯热导由一个表面传递到另个表面，并且热交换强度 不取决于转速。瓣就，这秘揍援下豹敖热系数窿与转动条传无关，可按下式计算： u ：孥。2 ：常数 在紊流状态下，繇瓦 4 1 2 ，1 日f , l 踩鞍大露，褥刭撼下方程式： u = 0 4 2 t “5 只”5 ( 3 3 7 ) 根据上述经骏公式可撂如带点1 6 1 9 越的氓。其中计算特依洛尔数是 的袭达式如下： = ( d 2 ) g “一 ( 3 3 8 ) 憨结蛾。戆求鼹形式黧下式。 漉1 1l ：翌太学琰七学静论文 落0 2 4 2 t 。：p ，譬4 1 ；： 4 1 5 2 强s 9 ， l 兢= 一 誓 根据上式，计算出努塞尔特数n 。1 9 并代入下式，得出定予与永磁体间的 教热系数珏9 。 n 1 6 1 9 = n 。1 6 x 栅g ( 3 4 0 ) 带点1 6 - 1 9f ll 搀热导g 6 1 9 ： g i 鲫= 0 1 6 1 9 s m ( 3 4 1 ) 式中，乏特依洛尔数，只空气普朗特系数，6 。，定予槽口宽度。 另外，节点1 6 通过齿舔扳端面对空气带点3 4 避行敬熬。僵是散热面积小， 并鼠敬热条件藏，一般可以忽略不计。 萤焘1 6 豹按耗暇。如蘑掰述，铁耗已被近织分开，臻部损耗为 是一手) 3 ， 节点1 6 的损耗除了本身的齿部损耗，认为杂散损耗的一半也存在定予齿部。节 点1 6 的损耗为暇。，其表达式如下 氍。= ( 瑰一& 。) 3 + 冀6 ( 3 。4 2 ) 与节点1 6 相关联的节点肖定子轭部节点8 ，定子稽处节点1 2 ，相邻的定予 纛罄萤点1 7 以及塞磁蒋节纛1 9 ，因致得懑萤点1 6 豹巍导g l ；。为热下表达： g 1 6 1 6 = g 1 6 8 + g l6 1 2 + ( 6 1 7 + g 1 6 1 9 ( 3 4 3 ) 3 。2 。4 绕组豹分掇计算 对该样机中定子槽内的绕组进行热分析计算，其中以节点1 2 为例进行分析 说明。节点1 2 为样机的槽内绕组。与其相关的节点包括；定子铁心轭部节点8 ， 豢郏节点l s ，撩内导终嚣节轰1 3 以及旗郝绕缓节点1 1 。辘囊疆蠹绕缍闽静热交 换与端部绕组和槽内绕组间的热交换类似，计算都比较简单，可按下式计算出。 g ：s a c u ( 3 4 4 ) 永磁电撬滠舞毒手聱及冷帮系统漫诗 繁熹1 2 1 3 翊豹熬导q 。，萤点1 2 1 1 秘翡热导q ：l l 燕下式诗簿窭来。 吒萨苛， 。， 鼯熹等砺 + “ 节点1 2 的损耗彬：是按绕组长度对铜耗进行比例分配，其表达式如下， 式中，三。绕组半匝长。 彤2 。黾_ l 3 l z ( 3 。4 6 ) 缀据述条锌，褥出繁煮1 2 弱鑫警g 掰2 ，其表达式魏下e g j 2 1 2 = g j 2 i i 十g 1 2 1 3 + g 1 2 8 + g 1 2 1 6 ( 3 4 7 ) 鹚帮绕缝稳热分凝诗算，其中浚节煮l l 为绸逶嚣键黪。与节煮l i 鞠关联豹 节点包括：槽肉绕组节点i 2 ，枫内空气处节患3 4 。 封闭式电机定予绕组在比较菠的吹拂条件下工作，气流以不同的流速从内、 努掰嚣欧拂毫稳定予绕缝熬璃酃。矮部肉静袭覆敖热系数豹实验数疆经熬理褥： 耻o 1 0 3 堡2 r e 印9 lo 8 1 0 4 ) ( 3 4 8 ) i n 。= o 1 l v r c 2 r e 为其它 箕孛