大功率永磁牵引电机冷却结构及热管理技术研究

大功率永磁牵引电机冷却结构及热管理技术研究摘要：随着科技的进步，永磁牵引电机的应用也越来越在工业生产和日常生活中得到应用，慢慢成为人类不可或缺的一部分。本设计基于电磁涡流损耗，计算流体力学等理论，研究电机内空气流动特性及各部件的温度分布规律，揭示电机中的损耗，流场和温度场之间的相互影响机制，为永磁电机提供理论依据。本设计将建立建立一个电磁涡流损耗的热损耗模型，重点分析永磁电机中转子，定子，冷却结构的散热强化，并对转子，定子，进行设计。关键词：电磁涡流、热损耗、转子、定子、冷却结构、散热强化ResearchOnHighPowerPermanentMagnetTractionMotorCoolingStructureAndThermalManagementTechnologyAbstract：Withtheadvancementoftechnology,theapplicationofpermanentmagnettractionmotorisalsomoreandmoreusedinindustrialproductionanddailylife,slowlybecominganintegralpartofmankind.Thisdesignisbasedonthetheoryofelectromagneticeddycurrentlossandcomputationalfluidmechanics,andstudiestheairflowcharacteristicsandthetemperaturedistributionlawsofthecomponentsinthemotor,revealsthelossinthemotor,theinteractionmechanismbetweentheflowfieldandthetemperaturefield,andprovidesatheoreticalbasisforpermanentmagnetmotors.Thisdesignwillestablishaheatlossmodelforelectromagneticeddycurrentloss,focusingontheanalysisofthethermalreinforcementoftherotor,stator,andassemblygapinpermanentmagnetmotors.Keywords:ElectromagneticEddyCurrent,HeatLoss,Rotor,Stator,coolingstructure,HeatEnhancement第1章绪论1.1永磁牵引电机的介绍1.1.1课题研究的背景及意义新中国成立以来，我国的综合实力不断提升，在航空航天，武器军工，交通，基础建设等方面都有了长足快速的发展。而电机作为电力与机械系统的重要的核心部件，为人类的工业反正和平时的生活的提供非常多的便利，已经是现代人类社会不可或缺的一部分。电机的发展一直在继续，电机的种类也在不断的变多，电机的各项性能也在逐步提高。而近几年来永磁电机成为了人们关注的焦点，相比于传统的电励磁电机，永磁电机，特别是稀土永磁电机具有结构简单，运行可靠；体积小，质量轻；损耗小，效率高；电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。因而应用的范围极为广泛，几乎遍及航空航天、国防、工农业生产和日常生活的各个领域（1）。建造永磁电机，其中的稀土材料，永磁材料是关键，中国是一个地域广大的大国，这些原材料在中国的储量庞大，其中的稀土的储量更是位居全球之最，对发展永磁电机有着重要的先决条件。充分利用这种优势，并结合目前中国在快速发展，在快速实现工业的全面升级，永磁电机的研究发展是必要的。本设计研究的是大功率的永磁牵引电机，它属于永磁电机的一个小类，其不仅被用于高铁，地铁等电车之中，而且也被用于其他需要永磁电机作为能量转换的工作场景。作为实现电能转换成机械能的核心件之一，其性能的好坏将直接影响整个电车和设备是否可以正常稳定的工作。对于一台永磁电机，其中的永磁体是十分重要的，在永磁电机运行过程中不可避免的会产生热损耗，进而造成永磁电机的温升，工作环境的温度变化将使得永磁体的物理参数发生改变，对永磁电机的稳定运行将产生不好的影响，会影响到永磁电机的效率和使用寿命。为了使大功率永磁牵引电机在电车和设备中高效稳定的运行，研究大功率永磁牵引电机的冷却结构及热管理技术，分析电机中的定子，转子，冷却装置的散热强化，并对转子，定子，冷却装置进行合理的设计是重要的。1.1.2永磁牵引电机的发展现状目前牵引电机冷却系统的研究现状，日本高雄，智巳等人对地铁或机车车辆上用牵引电动机进行研究，其采用上部下部均设有冷却装置的冷却结构，电机机枪内的空气在该冷却器内可以循环流动，利用外部的风来冷却冷却器[]。日本的MinoruKondo等设计的郊区列车235kw全封闭自冷永磁同步电动机采用在轴承四周设置1个环形冷却腔，以隔离电动机内部的热空气；在电机轴承外测安装1个带槽的小圆盘，以传送冷空气；设置风扇，导入新鲜空气进行冷却等措施改进轴承周围的冷却性能[]。日本的木岛欲之等设计190kw电机的冷却系统分为两部分一是由外风扇冷却电机的定子，另一部分由内风扇组成的内部循环路线，通过外部带有散热筋的空腔进行热交换，效率比传统的全封闭式电机更高，使得散热系统达到最优化[]。德国H.Neudorfer的三相交流牵引电动机采用液体冷却，机座采用双臂结构，根据水道的不同结构，液体在机座上以迂回或螺旋的形式流动。这种方式不仅使得电机的温升合格而且避免了灰尘侵入[]。在国内水冷系统的研究中，康平、穆大玉等对在同体积的功率下三种不同类型的水冷方式的冷却效果进行比较，最后得出冷却效果最好的是外壳、端盖和轴水冷[]。株洲南车时代电气股份有限公司的符敏利等提出了一种空气冷却结构的永磁同步牵引电机，包括进风口、内风道、冷却风道、出风口，冷却风道布置在机壳的四个角上，电机冷却由外部风冷装置和封闭层内部循环风冷装置组成的复合冷却装置共同完成[]。沈阳地铁二号线永磁同步牵引电机采用全封闭结构，采用同轴风扇对定子外壳进行冷却。定子采用全叠片无机壳结构，具有质量轻、体积小、散热效果好等优点[]。1.2研究内容本研究是研究功率永磁牵引电机冷却结构及热管理技术，将重点对电机进行损耗进行计算，对电机的电磁场，温度场，流场进行仿真，探究电机的转子，定子，冷却结构对电机损耗和电机温度的影响。主要内容有：（1） 用合适的软件建立一个300kw的电机模型，为后续分析电机的损耗，和电磁场，温度场，流场的仿真做准备。（2） 基于麦克斯韦的电磁场理论，对模型进行有限元分析。分析电机的损耗，分析电机的转子，定子，装配间隙对电机的电磁场及损耗的影响。（3） 用基本的传热知识和流体力学知识，对电机在稳态状况运行下的温度场进行仿真计算，研究转子，定子，冷却结构对电机温度的影响。（4）根据电机仿真模型的结果，对电机的转子，转子，冷却结构进行设计。1.3研究方法随着电脑硬件的发展，电脑软件的进步，目前在电脑上可以使用的对工程应用的进行仿真的软件越来越多了，也越来越好了，其中的ANSYS更是工程仿真方面佼佼者，ANSYS软件中包含了众多的工程仿真模块，它可以做到模型建立，材料给定，网格划分，求解设置，仿真分析优化等步骤。本次研究将用ANSYS软件中的MotorCAD作为仿真分析的软件来进行电机的损耗的计算，电机电磁场，温度场，流场的仿真分析。下面对MotorCAD进行介绍1.3.1MotorCAD软件简介MotorCAD是用于电机热设计的计算机辅助软件包，采用热路的方法对电机进行热分析和方案优化设计，是全球唯一一款基于热路分析的电机热设计软件。MotorCAD可以给设计者提供快速的计算方法和精确的计算结果，不仅可以进行参数化计算，而且还能寻找对散热影响最大的变量，可参数化几何结构、物理属性等变量，功能非常强大。MotorCAD使用方便、简单易懂，即使是非专业人员也可以很快掌握，非常适用于工程实际。MotorCAD电机库类型主要有无刷永磁电机、无刷永磁外转子电机、感应电机、开关磁阻电机、直流电机、同步电机、爪极电机、单相感应电机，可以适用于多种电机的仿真模拟。1.3.2MotorCAD的热分析方法目前，电机热设计领域的主要方法包括经验法、数值方法（如FEA、CFD）、热路模型法。每种方法都有自己的优势和不足，在对电机进行热分析时要选择合适的计算方法。以下是几种热分析方法的区别。（1）经验法：经验法一般是基于简单的估算、同比例的放大缩小、测试数据等，其优点是无需计算工具、计算速度快；但是其缺点也十分明显，精算精度差，特别是在设计新型电机的情况下，往往无经验数据可参考，并且经验法无法进行参数化设计，无法知道变量的权重大小。（2）数值计算法：数值计算法主要包括FEA和CFD两种算法，数值计算方法具有精度高、可参数化计算、后处理强大等特点，但是FEA和CFD软件学习困难、对计算机要求高、计算时间长，参数化计算需要大量的存储空间和很长的计算时间，计算效率低下。（3）热路计算法：热路计算法是目前电机热设计的一个趋势是采用集总热路的计算方法，可对多种电机的稳态和瞬态热分布进行计算，用这种方法可以快速计算出来结果，且计算结果的精度也比经验法高，结合了前二种计算方法的优势。最新的MotorCAD所采用的方法为热路计算法，可以快速有效地对电机进行仿真模拟分析，且它具有优秀的人机交互界面，操作简单，易于掌握，是电机热设计非常有效的工具。第2章电机的损耗计算2.1引言电机的温度升高是由电机在运行过程中的损耗造成的，为了方便探究接下来电机的电磁场，温度场，流场，就需要清楚电机的损耗计算过程，对电机的各项损耗进行计算。2.2电机的损耗计算电机的类型有很多种，不同种类的电机由于电机的机构分布不一样，所以不同种类电机的损耗计算方法各不相同。本次研究研究的是大功率的永磁牵引电机，其常作为电动机车的动力转换装置，为了实现对电动机车的牵引功能，永磁牵引电机需要具备大功率，大转矩，效率高，又因为使用场景的限制和要求，尽可能地做到体积小，重量轻。而众多电机种类中永磁同步电机同时满足了上述几个要求，故现状大多数永磁牵引电机为永磁同步电机。而永磁同步电机的损耗主要包括以下几种：定子铁耗、转子的涡流损耗和永磁体的涡流损耗、绕组铜耗和其他机械损耗。为了精确计算电机损耗，应对电机每项损耗都单独计算，准确地计算出电机的每项损耗，可以做到更好的分析电机的温度情况，对分析电机的定子，转子和冷却结构对电机温度的影响有着关键的作用。2.2.1电机的定子铁耗计算永磁同步电机的定子铁耗计算颇为复杂，它由多种不同形式损耗叠加而成，而电机的磁场频率，硅钢片的材料等因素，它们都可以对电机的定子铁耗造成影响，所以准确计算出定子铁耗对于电机的温度分析仿真是重要的。依据铁耗分离原理，建立相应的计算模型【】，对电机进行定子铁耗计算。想要保证计算定子铁耗的结果是正确的，就要拥有一个合理的，正确的计算模型。根据定子铁耗的损耗产生原因，可以将永磁同步电机内部的铁耗分为磁滞损耗和涡流损耗。涡流损耗又可以分成经典涡流损耗和异常损耗（附加损耗）【】根据定子铁耗的分类，我们可以把永磁同步电机的定子铁耗用下面的方程式进行表达：P式中Ph——磁滞损耗（WPc——经典的涡流损耗（WPe——异常的涡流损耗（W（1）磁滞损耗给电机通上电运转后，不断交变的磁场会把定子铁芯磁化，因为定子铁芯内被磁化的小型磁化区域不断地产生摩擦，最终所引起的损耗称之为磁滞损耗。如果磁场密度是随着时间最终表现为正弦形式的话，即B(t)=Bmsin(2πft)，那么可以用以下的表达式来计算定子铁芯的磁滞损耗：P式中Bm——磁密幅值（α——Steinmetz系数；Kmf——交变磁场的变化频率（Hz）。（2）经典涡流损耗根据电磁感应定律，当交变的磁通穿过定子铁芯时，铁芯内部会感应出涡流，由此引起的损耗即为涡流损耗。当即B(t)=Bmsin(2πft)时，其表达式可以写成如下形式：P(2-1)式中Kc（3）异常损耗亦称附加损耗。其产生的机理与磁畴的结构改变相关，当B(t)=Bmsin(2πft)时，通常用以下表达式计算：P式中Ke综合公式（）到公式（），对于磁场按照正弦规律变化的交流永磁同步电机，其定子铁芯损耗可以采用以下公式进行计算：P由公式（）可知，要精确计算定子铁耗，就应该对公式中涉及到参数进行计算求解。通常Bm是通过对定子进行内部磁场得仿真分析得到；一定频率下的Kh、Kc、Ke三项损耗系数也可以通过2.2.2转子的涡流损耗和永磁体的涡流损耗对永磁同步电机来讲，往往由于三相绕组中的交变电流不是标准的正弦波，因而会在定、转子间的气隙产生谐波。由于谐波磁场的存在导致转子铁芯和永磁体中产生涡流，造成涡流损耗【】。不同于定子铁耗，在永磁同步电机中转子产生的涡流损耗和永磁体产生的涡流损耗并不大，在整个电机损耗中所占比例并不多。不过在永磁同步电机中，转子和永磁体所处的位置在电机的中心，并且转子位置的散热并不好，所以转子的涡流损耗和定子的涡流损耗可能造成转子和永磁体的温度大幅度地提升，从而会引起永磁体的整体或者局部褪去磁性，更严重的可以使永磁体从转子上脱落，对电机危害较大，所以对电机的转子的涡流损耗和永磁体的涡流损耗计算是重要的，研究电机转子的涡流损耗和永磁体的涡流损耗对接下来的电机的温度和流场分析提供帮助。对于计算永磁同步电机的转子的涡流损耗和永磁体的涡流损耗，现状一般的做法有两种，一种为公式计算法，另一种是使用软件对永磁同步电机进行有限元分析来计算的方法。如果使用公式计算法计算转子的涡流损耗和永磁体的涡流损耗，其涉及的公式众多且繁杂，计算过程不易，并且由于转子和永磁体产生的涡流损耗都很小，在计算过程中很难将对转子和永磁体涡流损耗产生影响的因素都考虑进来，所以很容易造成计算误差，在公式计算法中一点点计算误差就可能给转子和永磁体涡流损耗计算带来很大的误差。为了提高转子涡流损耗和永磁体涡流损耗计算的精度，这里选择使用MotorCAD软件对永磁同步电机进行有限元分析，直接通过软件计算其转子的涡流损耗和永磁体的涡流损耗，这样做，计算出来的转子的涡流损耗和永磁体的涡流损耗可以更加的准确。2.2.3绕组铜耗绕组的铜耗是当绕组通以相电流时，相电流流经绕组的铜导线所导致的损耗，在计算绕组铜耗时，一般将绕组分为两种，一种是基本铜耗。基本损耗是由相电流流经绕组铜导线时导线电阻所产生的损耗。另一种是附加损耗，这种损耗产生的原因有两种，一种是相电流流过绕组导线时，由于高频的交流电容易在绕组内产生交变电磁场，从而在导体内产生漩涡电流，高频的电磁场和电流都无法进入导体的内部，从而产生一种名叫集肤效应的自屏蔽效应，另一种是趋紧效应，它是由于在通电导体的周围要是存在其他通电导体，它们会相互影响产生涡流电流，在电机的多绕组磁路系统中是明显存在这种情况的。（1）基本铜耗由于基本铜耗是因为相电流在绕组导线电阻上所产生的损耗，它的计算可以用以下表达式表达：P式中m——电机的相数（三相电机为3）I——R——每相绕组的有效电阻值（Ω）（2）附加损耗当永磁同步电机的频率很低时，电机的集肤效应和趋紧效应不是很明显，它们带来的损耗在计算中可以忽略不记，当永磁同步电机的频率很高时，此时集肤效应和趋近效应带来的损耗不可以忽略不计，对于永磁同步电机，其附加损耗一般在0.1%到0.2%，如何判断电机的附加损耗是否可以忽略是不容易的，想要计算出附加损耗是很难。所以在本研究中利用MotorCAD软件直接对电机进行仿真分析来计算其附加损耗可以有效提高绕组铜耗的精度。2.2.4机械损耗永磁同步电机的机械损耗有二种，一种是因为电机在运行时，由于轴承摩擦而生成的摩擦损耗，另一种是因为电机的转子在转动时与空气产生摩擦而生成的风磨损耗。（1）摩擦损耗摩擦损耗是由电机轴承摩擦而产生的，而转轴速度，轴承类型，润滑油性能，轴承的负载等因数都可以对其损耗大小造成影响。根据这些因素，摩擦损耗一般可以用下面的表达式表达：P式中Ω——μ——摩擦因数（典型值0.0010到0.0050）F——转轴所带负载D——转轴的内径（2）风磨损耗风磨损耗是由转子转动时与周围空气产生的损耗，其中转子的表面粗糙度，结构形状，转速和周围空气的包裹转轴所形成的形状都会对风磨损造成影响。所以一般情况下风磨损耗可以用下面的表达式表达：P式中a——Cf——ρo——周围气体的密度（kg/mωm——r——L——转子的轴向长度其中，我们可以用如下公式来计算摩擦系数CfC式中Reα——切向雷诺数Reδ——径向雷诺数周围空气的性质与切向雷诺数ReαRe式中vα——而电机的气隙长度，转子转速和材料可以影响径向雷诺数ReδRe式中δ——气隙的长度（m）μ——转子材料的相对磁导率。2.3永磁同步电机的参数及其损耗在本次研究中，初步选定的永磁同步电机为基本参数如表3.1所示，它的基本尺寸参数如表3.2所示，表3.1电机性能参数额定功率/kW额定电压/V额定频率/Hz额定转速/r·min-1300kw600501500表3.2电机基本尺寸形状参数定子外径（mm）700定子内径（mm）440定子槽数24转子外径（mm）435转子内径（mm）155转子极数4永磁体厚度（mm）15永磁体弧长（。C）140转子类型表面凸出型电机长度（mm）1200通过MotorCAD软件将电机的基本尺寸及形状参数输入，确定各个部件的材料参数，其中定子和转子的硅钢片材料设置成DW310-35，永磁体材料设置成XG196/96，定子绕组的材料一般设置成铜，电机外壳设置成铝合金。并将电机的基本性能参数输入到软件中，选择的电路类型为L3的电路，通入的三相正弦交流电。下面的图3-1为电机3D模型图，图3-2是电机的正视图，图3-3是电机的侧视图。图3-1图3-2图3-3结合第二章中永磁同步电机损耗计算模型，用MotorCAD对创建好的电机模型进行电磁场分析，对处在稳态时的电机进行仿真分析可以得到电机的各项损耗。损耗结果如下表3-3表3-3永磁同步电机的各项损耗（单位W）总损耗定子铁耗永磁体涡流损耗转子涡流损耗绕组铜耗机械损耗从结果来看，不难看不出永磁同步电机定子铁耗和绕组铜耗所产生损耗在总损耗比重中较其他损耗所占的比重较大，不难看出电机在电机定子和绕组处温度也应该较大，电机如果不能及时地散出定子和绕组因为损耗所产生的热量将影响到电机的转子和永磁体的散热，会使电机的安全性和效率下降，为接下来的永磁同步电机温度场分析提供了参考。2.2.5本章小结在本章中，应用电磁学的基本知识结合公式计算法或是有限元仿真法去建立了永磁同步电机各项损耗的计算模型，并用MotorCAD软件对初步创建的永磁同步电机模型进行了电磁场的仿真模拟，得到了各项损耗大小和总损耗大小，为使用MotorCAD软件仿真分析电机的温度场，打下了理论基础。第3章电机的温度场分析3.1引言永磁同步电机运行时的温度是电机一个重要的参数，它会影响永磁同步电机中永磁体的磁性能，永磁同步电机是否能够高效稳定地运行，关键就在于如何将永磁通步电机的温度控制在一个合适的范围内，避免永磁同步电机的温度过高，影响到电机内永磁体磁性能，造成永磁同步电机的性能和安全性下降。上一章中建立了电机的损耗计算模型，并对创建的模型电机进行了电磁场的仿真分析，得到了300kw的永磁同步电机损耗分布和大小，本章将结合电机的损耗，应用MotorCAD软件来仿真出电机的温度场分布和大小。为后续的对电机的转子，定子，冷却结构对电机的强化传热的影响提供了参考。3.2永磁同步电机的热计算模型建立对于永磁同步电机，在电机处于稳态运转时，想要对电机进行温度场和流场的仿真，就必须建立起一个电机的热模型。基于传热学基本知识，热能的传递基本有三种方式，分别是传导、对流和辐射【】。三种不同传热方式的具体定义如下：（1）热传导热传导是由于大量分子、原子或电子的互相撞击，使能量从物体温度较高部分传至温度较低部分的过程。（2）热对流热对流是指流体中质点发生相对位移而引起的热量传递过程。（3）热辐射热辐射是物体由于具有温度而辐射电磁波，通过电磁波将自身的热量传递给其他物体的过程。在上一章中可以得知永磁同步电机有着各种各样的损耗，在分析永磁同步电机的热量生成和热量传递都是复杂且不容易的，但我们可以知道的是不管电机热量是如何传递，电机的热量最终都要经过电机的机壳向外界散热，一般来说机壳向外界散热的形式有热传导，热对流和热辐射，不过相较于热传导和热对流，电机机壳通过以热辐射来散出热的极少的，基本可以不用考虑，所以在计算分析电机的温度场时，我们主要考虑的热传递方式为热传导和热对流，不去考虑热辐射。为使电机内部的传热情况更加直观明了，现在通过方程组的形式将电机中的热量传递过程表达出来【】。永磁同步电机在工作的时候，可以将其内部的热量传递过程简化成以下表达式【】：（公式未打）式中T——温度（℃）ρ——材料的密度（kg/m3）；c——材料的比热容[J/(kg·℃)]τ——时间变量（s）；