【永磁电动滚筒的磁路及温度场研究4900字】

永磁电动滚筒的磁路及温度场研究目录TOC\o"1-3"\h\u302281磁路研究 1206791.1永磁电动滚筒磁路结构 1277361.2永磁电动滚筒磁路结构选择 3240842.1.3永磁电动滚筒磁极形状优化设计 495412温度场研究（Temperaturefieldresearch） 432117（1）基于流体场与温度场的热管理技术 48907（2）温度场计算的假定与等效处理 417292（3）永磁体内涡流损耗采用电磁场的计算结果 48109（4）温度场计算模型的建立 515888（5）材料属性 616576（6）气隙的处理 631895（6）端部绕组的对流散热系数 79486（7）绕组伸出端绝缘的等效处理 824737（8）水冷对流散热系数 829746（9）温度场仿真分析 81磁路研究1.1永磁电动滚筒磁路结构永磁电动滚筒具有体积小、结构简单、效率高和效率功率密度高等一系列优点。永磁体在永磁电动滚筒中既是磁源，又是磁路的组成部分。永磁体的磁性能与生产厂的制造工艺有关，也与大小、形状、充磁的方式充磁机的容量大小相关，具体性能数据的离散性比较大；而且永磁体在永磁电动滚筒中所能提供的磁通量和磁动势还随磁路其余部分的材料性能、尺寸和永磁电动滚筒运行状态而变化；另外，铁磁材料部分磁导是非线性的。这些都增加了永磁电动滚筒结构选取和电磁计算的复杂性。永磁电动滚筒的转子的结构型式有很多种，根据永磁体在转子上有不同的位置，永磁电动滚筒转子磁路结构分为表面式和内置式两种。而表面式磁路结构又分为凸出式和插入式两种，内置式磁路结构又分为径向、切向以及混合式结构。（1）表面式转子磁路结构这种结构的永磁体通常为瓦片形，它位于转子铁心的外表面上。永磁体的充磁方向是径向的，且定子铁心内圆与永磁体外表面之间一般会加非磁性圆筒套以起到保护作用，或在永磁体磁极表面用无纬玻璃丝带作保护层。永磁体磁极设计成许多矩形条状拼装为瓦片形，这种结构可以使永磁电动滚筒的制造成本降低，而且还有改善气隙磁通质量的作用。表面式转子磁路结构可分为凸出式和插入式两种，如图2-1所示。稀土永磁电动滚筒由因为它的永磁材料的相对磁导率接近1，所以凸出式结构在电磁性能上归为隐极结构；而插入式结构中相邻两磁极之间铁磁材料的磁导率很大，将它归为凸极结构。(a)凸出式(b)插入式图2-1表面式转子磁路结构凸出式转子结构具有转动惯量小、结构简单、制造成本较低等一系列优点。而且我们容易实现它的最优设计，它能让电机气隙磁密空间分布趋近于正弦形，可以使滚筒的性能明显提升。插入式转子结构通过利用转子磁路不对称所产生的磁阻转矩提高了滚筒的功率密度，对比凸出式动态性有所提高。制造工艺也较为简单，但漏磁系数和制造成本都比凸出式大。（2）内置式转子磁路结构这类结构的永磁体位于转子内部，由铁磁物质制成极靴位于永磁体外表面与定子铁心内圆之间，极靴中有铸铝笼或铜条笼，它起到阻尼以及起动作用。由于它的动态和稳态性能比较良好，异步起动能力的永磁同步电动机中应用比较广泛。内置式转子内的永磁体受到极靴的保护，其转子磁路结构的不对称性所产生的磁阻转矩有助于提高永磁电动滚筒的过载能力和功率密度，而且易于“弱磁”扩速。我们根据永磁体磁化方向与转子旋转方向之间的关系，又把内置式转子磁路结构分为三种，分别是径向式、切向式和混合式，如图2-2所示。径向式：该结构的优点是漏磁系数小、极弧系数易于控制、转轴上不需采取隔磁措施、转子冲片机械强度高、安装永磁体后转子不易变形等。切向式：该结构的漏磁系数较大，需采用相应的隔磁措施，较径向式结构它的电动滚筒的制造工艺和制造成本增大。其优点为一个极距下的磁通由相临两个磁极并联提供，可得到较大的每极磁通。当电动滚筒极数较多，径向式结构不能提供足够的每极磁通时，这种结构的优势会更为突出。混合式：这类结构体现了径向式和切向式转子结构的优点，但是它的结构和制造工艺均相对而言比较复杂，制造成本有所提高。（a）径向式(b)切向式(c)混合式图2-2内置式转子磁路结构1.2永磁电动滚筒磁路结构选择本项目以外转子永磁电动滚筒为研究目标，而且它一般是多极磁路结构。若采用内置式转子磁路结构，需要采用转子冲片，永磁体内置于转子冲片，在转子冲片的外侧再配有外滚筒，这毫无疑问会让转子厚度增加、转动惯量增大、装配工作量加大，而且多极内置式结构容易漏磁，会浪费永磁材料，提高了制造成本。针对本项目的具体情况，应优先选取表面式转子磁路结构，滚筒采用导磁材料直接作为电机磁路的一部分，不再需要转子冲片。插入式转子磁路结构需要在滚筒内表面加燕尾槽，由于滚筒的直径和长度较大，这无疑对设备的加工提出了较高的要求，加大了加工难度和制造成本。因此，本项目采用表面凸出式转子磁路结构，如图2-1（a）所示。为了提高滚筒内表面磁钢的分配精度，将外滚筒固定在加工设备上并沿轴向划线定位，将滚筒内经50等分（滚筒为50极）。画好定位线后，把不锈钢压条沿定位线焊接在滚筒内表面，起到轴向和圆周方向的定位及保护磁钢的作用，将滚筒内部清理干净后，先在滚筒内表面涂上紧固胶，然后按极性插入磁钢，完成外转子永磁电机的转子装配过程。2.1.3永磁电动滚筒磁极形状优化设计根据永磁体气隙侧弧面的形状，永磁电动滚筒分为均匀气隙和非均匀气隙，表面凸出式转子磁路结构的永磁体非气隙侧的形状是等直径圆弧，这让永磁体与滚筒内表面之间更容易紧密贴合，提高了结构的稳定性。永磁体气隙侧的弧面形状选择较多，可以选择等直径的均匀气隙，也可以选择非等直径的非均匀气隙，非均匀气隙时，可以通过改变最大与最小气隙的比值来调整极弧形状。优化转子极弧形状以改善气隙磁密波形的正弦度，从而通过降低气隙磁密的谐波含量来降低转矩脉动和噪声振动。通过优化分析，最终选择永磁体的气隙侧为平面结构。优化了电动滚筒性能的同时，又降低了永磁体的加工难度。2温度场研究（Temperaturefieldresearch）（1）基于流体场与温度场的热管理技术热管理是永磁电动滚筒可靠运行的关键技术，而温升的高低和分布是反映热管理是否成功的重要考核指标，尤其是对于该永磁电动滚筒，为了追求更高的功率密度，温度分布的研究非常关键。因此，我们在设计阶段准确计算了永磁电动滚筒的损耗及内部温升分布，通过总结该类滚筒内部热分布的规律，找出局部过热点，我们就可以合理设计以降低它的温度，使永磁电动滚筒的热可靠性得到保证。（2）温度场计算的假定与等效处理在永磁电动滚筒的温度场计算过程中，做出如下假设：1）温度分布沿圆周方向对称，认为永磁电动滚筒在圆周方向的冷却条件相同；2）假设定子槽内绕组的发热情况一样，将绕组的集肤效应忽略；3）假设所有槽绝缘以及槽内空气等效为一个绝缘实体，不分别对股线绝缘、层间绝缘以及主绝缘进行处理，实体采用一个等效的导热系数；（3）永磁体内涡流损耗采用电磁场的计算结果由于网格剖分的限制，无法完全考虑绕组的股线绝缘，因而对于定子槽内的计算区域采用等效的方法进行处理，先对定子槽作如下假设：1）浸漆状态良好，浸渍漆填充均匀；2）铜线的绝缘漆分布均匀；3）忽略股线间由于绝缘漆膜存在所造成的温差。然后，用试验验证后的导热系数来计算实际情况。这样，可以分别将上、下槽绕组等效为一个整体的实心铜块，将浸渍漆、绕组的绝缘漆、槽绝缘、层间绝缘、装配间隙等效为一个统一的导热实体作为等效绝缘，如图2-3所示。图2-3定子槽等效模型由于实际上材料层间难免留有间隙，而且各种材料本身也并非完全匀质，各种材料的厚度通常无法精准确定，所以在计算中，参照文献《电机内热交换》给出H级绝缘导热系数取值为。（4）温度场计算模型的建立本项目采用定子水冷，通过向定子铁心与支撑圈间设置的圆周方向冷却水道内通入冷却水来带走永磁电动滚筒发出的热量。其冷却条件沿径向对称，故选取周向单元永磁电动滚筒的一半（5极6槽）作为温度场计算的求解域。永磁电动滚筒求解域的三维效果如图5-4所示。图5-4永磁电动滚筒求解域三维图上述永磁电动滚筒求解区域的三维稳态温度场定解问题为： （2.1）其中，为热源密度；、、分别为、、方向上的导热系数；为对流散热系数；为周围流体的温度。根据变分原理，方程的等价变分方程为： （2.2）当泛函取极值时，其变分，即，由此可得： （2.3）其中，为求解域内全部节点温度所形成的温度阵列；为系数矩阵；为右端向量。求解该方程组，即可以得到各节点的温度值。（5）材料属性永磁电动滚筒所有材料导热系数如表2-1所示：表2-1永磁电动滚筒内材料的导热系数部件名称导热系数/W(mK)-1X方向Y方向Z方向（轴向）定子铁心39394.43空气0.03050.03050.0305绕组385385385绕组绝缘0.260.260.26永磁体999转子极靴39394.43槽楔0.20.20.2（6）气隙的处理转子的旋转带动气隙中空气的流动，使得定子与气隙之间以及转子与气隙之间的换热方式主要是对流，这样会使温度场与流体场进行耦合，求解电机温度场的难度会加大。为使计算方便，引入有效导热系数(W/mK)，它是用静止流体的有效导热系数来描述气隙中流动空气的热交换能力，即单位时间内静止流体在定转子之间所传递的热量和流动空气所传递的热量相等，这样可把旋转的转子视为静止不动处理。通过这样处理，可以用导热方式换热的效果与气隙中对流方式换热的效果相等价。可按下述方法求取有效导热系数。假设定子内表面和转子外表面为光滑圆柱面，则气隙中的雷诺数可表示为： （2.4）（2.4）中，为转子的圆周速度，单位是，有： （2.5）（2.5）中，为转子的转速，单位是；为转子的外径，单位是；为气隙的长度，单位是；，为定子的内径，单位是；为空气的运动粘度，。临界雷诺数的表达式为： （2.6）1）当，气隙中的空气流动为层流，有效导热系数等于空气的导热系数。2）当，气隙中的空气流动为紊流，这种状态下，气隙的有效导热系数可用下式计算： （2.7）（5.7）中，。（6）端部绕组的对流散热系数端部绕组的对流散热系数如下：端部气流雷诺数： （2.8）端部努塞尔特常数： （2.9）端部等效直径： （2.10）端部传热系数： （2.11）其中，为转子外径；为定子铁心外径；为定子铁心内径；为电机转速；为空气动力粘度系数；为空气的导热系数。（7）绕组伸出端绝缘的等效处理槽内绕组绝缘包括：铜导线绝缘、槽绝缘、层间绝缘；但是伸出端绕组只有铜导线绝缘。等效处理显得十分必要。由于铜导线的绝缘是非常薄的，如果单独建立这一部分模型，在软件处理的时候，剖分是非常困难的，而且也将增加计算时间。因此，解决的办法就是将槽内绕组伸出端的绝缘和槽内导体的绝缘建立成一样薄厚的模型，这样就相当于增大了伸出端绕组的绝缘，我们将按增大的比例同时增大导热系数，这样将会更好地模拟实际永磁电动滚筒。（8）水冷对流散热系数对于机壳外部加入冷却水套的情况，冷却水套内的对流散热系数可计算如下：水套平均换热系数： （2.12）努赛尔特数： （2.13）非圆形截面槽道的当量直径： （2.14）雷诺数： （2.15）其中，为水的导热系数；为普朗特数；为槽道的截面积；为湿润周长；为水流速度；为水的运动粘度。（9）温度场仿真分析以315kW永磁电动滚筒为例，热计算方法、导热系数的数值如前文所示。在进行温度场计算过程时，设定环境温度为30℃，由于采用冷却水箱进行水循环冷却，冷却水的进水温度会偏高，平均温度设定为40℃，机壳内冷却水道表面的对流散热系数为1258W·(m2K)-1，表2-2所示为315kW电机各部件的生热率。表2-2315kW永磁电动滚筒内热源分布热源位置额定运行状态三相交流绕组热源/kW·m-3118定子齿部热源/kW·m-327定子轭部热源/kW·m-327永磁体涡流损耗热源/kW·m-32.1计算得到315kW永磁电动滚筒额定运行状态下的整体温度场分布，如图2-5所示。从图2-5中可以看出，最高温度发生在绕组端部，其数值约为72.89℃。图2-5315kW永磁电动滚筒总体温度分布图定子绕组直线部分与等效槽绝缘的温度分布如图2-6所示，等效槽绝缘的左右两侧分别为上层绕组和下层绕组的温度分布图，从图2-6中可以看出，下层绕组的温度要略低于上层绕组。图5-6定子绕组直线部分与等效槽绝缘的温度分布图定子铁心温度分布如图2-7所示，定子铁心最高温升出现在两端边缘处，最低温