循油冷卻永磁同步電動(dòng)機(jī)的溫度場(chǎng)分析
劉嬌，黃守道，成本權(quán)，徐國(guó)佑
（湖南大學(xué)，長(zhǎng)沙410082）
摘要：該文建立了循油冷卻式電機(jī)穩(wěn)態(tài)過(guò)程二維溫度場(chǎng)的計(jì)算數(shù)學(xué)模型，根據(jù)電磁分析確定了各部分的損耗分布，并對(duì)一臺(tái)功率為150 kw的循油冷卻永磁同步電動(dòng)機(jī)內(nèi)部的溫度場(chǎng)分布作了分析，得到了額定工況下定轉(zhuǎn)子穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分布圖。文中還分析了氣隙溫度以及機(jī)殼冷卻油流速對(duì)電機(jī)溫度場(chǎng)的影響，為電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有用的參考依據(jù)。
關(guān)鍵詞：循油冷卻；永磁同步電動(dòng)機(jī)；溫度場(chǎng)
中圖分類號(hào)：tm351; tm341 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a 文章編號(hào)：1001-6848(2010)05-0010-03
o引 言
隨著現(xiàn)代電機(jī)制造工業(yè)的發(fā)展，永磁電機(jī)的單機(jī)容量和功率密度不斷增大，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)大大提高。這無(wú)疑使得電機(jī)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的單位體積損耗顯著增加，引起電機(jī)各部分溫度升高，這直接影響電機(jī)的壽命和運(yùn)行的可靠性。而永磁體更是永磁電機(jī)的動(dòng)力之源，永磁體的磁性能會(huì)隨著所處環(huán)境溫度的升高而下降，甚至在高溫下發(fā)生不可逆去磁，對(duì)電機(jī)性能造成嚴(yán)重影響。因此，準(zhǔn)確計(jì)算和研究電機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)，從而得到電機(jī)各部件溫度分布情況，將為電機(jī)高效、安全運(yùn)行奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)和分析手段。
l 二維溫度場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算
1.1溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型
循油冷卻永磁同步電動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)中，冷卻油通過(guò)機(jī)座外殼的螺旋槽帶走定子的熱量，其余部分采用自然冷卻。考慮到沿電機(jī)的軸向熱源的分布比較均勻，且導(dǎo)線的導(dǎo)熱性好，軸向的溫度差不大，因此可以將三維溫度場(chǎng)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為二維溫度場(chǎng)問(wèn)題求解分析，從而簡(jiǎn)化計(jì)算難度和節(jié)省計(jì)算時(shí)間，并且能夠滿足工程實(shí)際要求。
本文以一臺(tái)額定功率為150 kw的循油冷卻永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，根據(jù)電機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)和傳熱學(xué)理論做出如下假設(shè)：
①電機(jī)鐵心沿軸向溫度梯度為零
②考慮定子繞組銅耗時(shí)，認(rèn)為渦流效應(yīng)對(duì)每根股線的影響相同，即取平均值；
③忽略材料熱傳導(dǎo)率隨溫度的變化。
在上述假設(shè)條件下，可取軸向的中心界面作為溫度場(chǎng)的求解域，求解域模型如圖l所示。
對(duì)于各向同性媒質(zhì)，導(dǎo)熱系數(shù)為常數(shù)，在直角坐標(biāo)系下的二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程為：
式中，t為溫度℃；a為材料的導(dǎo)熱系數(shù)w/m．k；qv為熱源密度，w／m3。定子齒頂部分通過(guò)氣隙中的空氣與轉(zhuǎn)子交換熱量，定子軛外表面通過(guò)機(jī)殼與循油冷卻永磁同步電動(dòng)機(jī)的溫度場(chǎng)分析劉嬌，等油槽中的散熱油交換熱量，轉(zhuǎn)子部分通過(guò)空氣與定子交換熱量。根據(jù)此熱傳遞過(guò)程確定機(jī)殼與冷卻油之間以及定轉(zhuǎn)子表面與氣隙之間為對(duì)流散熱邊界，邊界條件滿足式(2)。
式中，n為機(jī)殼表面單位法向矢量；α為散熱系數(shù)，w/m．k,t1為環(huán)境溫度。由熱傳導(dǎo)方程和邊界條件可得電機(jī)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型為
由變分原理可知，式(3)可一寫(xiě)成并變分方程
其中，d為求解區(qū)域。
當(dāng)?shù)葍r(jià)變分方程取極值，可知kt=f，式中，t為求解域內(nèi)全部節(jié)點(diǎn)溫度所形成的溫度列陣；k和f分別為總體系數(shù)矩陣和總體右端列矢量。將邊界條件式(2)代人式(4)，可求得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度值。
1.2定子繞組等效模型
求解過(guò)程中考慮股線的排間絕緣主要體現(xiàn)在股線熱密的處理上，不考慮排間絕緣時(shí)的股線面積將增加，而總損耗無(wú)變化，假設(shè)0為股線的總損耗 |
