單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)銅皮套筒溫度場(chǎng)分析

單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)銅皮套筒溫度場(chǎng)分析

u型單軌偶動(dòng)電機(jī)是指具有恒定功能為u的u型結(jié)構(gòu)，通過線圈為圓柱形的直接磁體。為了讓電機(jī)通過連接電源后獨(dú)立移動(dòng)，氣阻采用非對(duì)稱形式。因此，該電機(jī)被稱為u型單軌獨(dú)立磁體電機(jī)。u型自動(dòng)自攻磁機(jī)作為該應(yīng)用前景值得認(rèn)可的驅(qū)動(dòng)因素，在20世紀(jì)70年代初由schemanin介紹，并進(jìn)行了初步的理論分析。直到20世紀(jì)90年代末，由于該電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，它被廣泛應(yīng)用于小型電源行業(yè)。目前，國外相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)u型單軌獨(dú)立磁機(jī)的運(yùn)行性能進(jìn)行了分析和研究，但國內(nèi)對(duì)電氣表的研究還不夠。在之前的人類研究中，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)在接近同步旋轉(zhuǎn)時(shí)不是固定不變的，而是在同步旋轉(zhuǎn)附近波動(dòng)的，并伴有振動(dòng)和噪聲。為了有效抑制旋轉(zhuǎn)的變化，減小振動(dòng)，本工作中設(shè)計(jì)研究的電機(jī)在原有u型電機(jī)的永磁體外安裝了銅皮套筒。該套筒對(duì)應(yīng)于銅屑電機(jī)的抗衰減器，以抑制旋轉(zhuǎn)波動(dòng)、減少振動(dòng)和噪聲。然而，在運(yùn)行過程中，由于定遠(yuǎn)方向相反方向的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)和電機(jī)之間的閉合過程中處于不同步的狀態(tài)，磁體在銅皮套筒中產(chǎn)生了極為復(fù)雜的漩渦，銅皮套筒中存在了渦流損失。這將導(dǎo)致銅皮套筒的溫度增加和永磁體的溫度增加。由于電機(jī)采用氧化合金磁性材料，室溫對(duì)鐵氧化體的磁性能有很大影響，因此溫度變化會(huì)導(dǎo)致永磁體磁性性能的變化。因此，有必要確定旋轉(zhuǎn)速度，確定永磁體的磁體性能。本文采用A,φ-A三維有限元法建立了U型單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)三維渦流場(chǎng)的數(shù)學(xué)模型,基于流體相似理論確定了轉(zhuǎn)子各表面的散熱系數(shù),建立了三維溫度場(chǎng)有限元計(jì)算的數(shù)學(xué)模型.文中針對(duì)銅皮套筒厚度不同的情況,對(duì)電機(jī)的三維渦流場(chǎng)和轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算.根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步得到了銅皮套筒內(nèi)渦流損耗和永磁體平均溫度與套筒厚度之間的關(guān)系曲線.1銅皮套管內(nèi)渦流分布的三維分析所研究的U型單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示.當(dāng)電機(jī)同步運(yùn)行時(shí),與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的定子反向磁場(chǎng)在銅皮套筒內(nèi)產(chǎn)生渦流,與阻尼條或鼠籠繞組中的感應(yīng)電流不同,銅皮套筒內(nèi)的渦流沒有端部固定端環(huán)來提供閉合回路,其分布具有明顯的三維特點(diǎn),不適宜在二維坐標(biāo)下分析,而利用三維有限元法可以精確計(jì)算銅皮套筒內(nèi)的渦流分布.1.1渦流場(chǎng)邊值描述由于U型單相永磁同步電機(jī)氣隙非均勻?qū)ΨQ且線圈直接套接在定子鐵芯上,漏磁較大,因此取整個(gè)電機(jī)及周圍的一部分空間作為三維渦流場(chǎng)的求解區(qū)域.同時(shí)為了簡(jiǎn)化計(jì)算,做如下假設(shè):(1)忽略位移電流;(2)永磁體不在套筒內(nèi)產(chǎn)生渦流,因此計(jì)算套筒內(nèi)渦流時(shí),不計(jì)永磁體的磁化作用.在上述假設(shè)條件下,用A,φ-A法描述的三維渦流場(chǎng)邊值問題為:套筒內(nèi)rot(υrot˙A)-grad(υdiv˙A)+jωσ˙A+σgradφ=0div(-jωσ˙A-σgradφ)=0}(1)其他區(qū)域rot(υrot˙A)-grad(υdivφ)=˙Js(2)外邊界上˙A=0,φ=0(3)式中:˙A為復(fù)矢量磁位;φ為復(fù)標(biāo)量磁位;˙Js為源電流密度;v為磁阻率;σ為電導(dǎo)率;ω為轉(zhuǎn)差角頻率.1.2損耗密度根據(jù)電磁場(chǎng)理論,對(duì)于時(shí)變電磁場(chǎng),銅皮套筒內(nèi)渦流密度為J=σ˙E=-jωσ˙A-σgradφ(4)銅皮套筒中渦流損耗密度為pe=12σ(˙J?˙J*)=12σ|˙J|(5)銅皮套筒內(nèi)的渦流損耗為ΡE=∫Vcpedv(6)式中,Vc為套筒體積.23d溫家寶的金元計(jì)算2.1溫度場(chǎng)及邊值問題U型單相永磁同步電機(jī)體積小,無風(fēng)扇、無專門的通風(fēng)冷卻系統(tǒng),轉(zhuǎn)子銅皮套筒內(nèi)渦流損耗所形成的熱量通過轉(zhuǎn)子表面以散熱的方式向外傳遞.為了求取電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)永磁體溫度,取轉(zhuǎn)子半個(gè)軸向長(zhǎng)度為三維溫度場(chǎng)計(jì)算區(qū)域,如圖2所示.為簡(jiǎn)化計(jì)算,作如下假設(shè):①電機(jī)軸向中心對(duì)稱面S1為絕熱面;②轉(zhuǎn)子散熱面S2上各點(diǎn)環(huán)境溫度相同;③銅皮套筒內(nèi)的渦流損耗均勻分布.于是,穩(wěn)態(tài)時(shí)三維溫度場(chǎng)的邊值問題為:??x(λx?Τ?x)+??y(λy?Τ?y)+??z(λz?Τ?z)=-q(7)α(Τ-Τf)|S2=-λ?Τ?n(8)式中:T為物體的溫度;λx、λy、λz分別為x、y、z方向的導(dǎo)熱系數(shù);q為熱源密度;α為散熱系數(shù);Tf為周圍的介質(zhì)溫度.2.2u3000北氣動(dòng)力特性根據(jù)流體相似理論,電機(jī)氣隙內(nèi)沒有軸向通風(fēng),在紊流的狀態(tài)下,流體滿足如下相似準(zhǔn)則方程:Re=υδv,Νu=αδλ(9)式中:Re為流體的雷諾數(shù);Nu為努謝爾數(shù);υ為流體的速度;δ為氣隙長(zhǎng)度;v為流體的運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù).轉(zhuǎn)子表面、轉(zhuǎn)子端部表面的努謝爾數(shù)分別滿足:Νu1=0.23β(2δDr)0.25Re0.5Νu2=0.0299Re0.735}(10)式中:β為修正系數(shù);Dr為轉(zhuǎn)子的直徑.從而得轉(zhuǎn)子表面、轉(zhuǎn)子端部表面散熱系數(shù)分別為:α1=0.2735βλ(Drδ)-0.25(υv)0.5(11a)α2=0.0299λδ0.265(υv)0.735(11b)2.3銅套內(nèi)的熱源密度在U型單相永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)計(jì)算中,銅皮套筒內(nèi)的PE是永磁體發(fā)熱的熱源,銅套內(nèi)平均的熱源密度為q=ΡE/Vc(12)式中,PE為銅套的渦流損耗.3計(jì)算值和結(jié)果分析分別對(duì)不同套筒厚度的U型單相永磁同步電機(jī)的三維渦流場(chǎng)和轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算.3.1u型至清子型各磁域磁密分布利用四節(jié)點(diǎn)四面體單元對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散,剖分結(jié)果如圖3所示.為了清楚地反映銅皮套筒內(nèi)的渦流分布,這里只顯示套筒內(nèi)各場(chǎng)量的分布情況.圖4～6分別為套筒內(nèi)磁密幅值、渦流和渦流損耗密度的分布圖.磁密分布圖顯示:對(duì)應(yīng)極尖處的磁密最高,從極尖向極面以及定子開口處磁密逐漸降低,而對(duì)應(yīng)定子凸極極面處的磁密低.這是由于永磁體的相對(duì)磁導(dǎo)率低,近似與空氣磁導(dǎo)率相同,而U型單相永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子由永磁體構(gòu)成,極面下的氣隙長(zhǎng)度比極尖處的氣隙長(zhǎng)度大,因此極面下磁密低于極尖處磁密.從圖還可看出,在軸向方向上磁密值從中間向兩端逐漸增大.銅皮套筒內(nèi)渦流和渦流損耗密度分布圖形顯示:渦流分布復(fù)雜,從U型定子開口處向定子極面下渦流和渦流損耗逐漸減小.銅皮套筒厚度與套筒內(nèi)渦流損耗的關(guān)系如圖7所示,從圖可見,PE隨著d的增加而增加,但增加的幅度逐漸減少.3.2溫度場(chǎng)分布分析由于銅皮套筒內(nèi)PE隨d增加而增加,因此永磁體平均溫度t也將隨著d的增加而增加,其變化趨勢(shì)如圖8所示.由式(11)和(12)計(jì)算得到的散熱系數(shù)和熱源密度值,以及各材料的傳熱系數(shù)和周圍環(huán)境溫度作為已知數(shù)據(jù)輸入后,利用ICCG法對(duì)三維有限元溫度場(chǎng)進(jìn)行求解,從而得到轉(zhuǎn)子各節(jié)點(diǎn)的溫度值.圖9為轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)分布.由圖可見,由于銅皮套筒內(nèi)的熱源密度取平均值,所以溫度規(guī)則地分布,溫度在徑向方向上由外向內(nèi)、在軸向方向上由中心向端面逐漸降低.3.3溫度對(duì)溫度的測(cè)量電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),利用紅外線測(cè)溫儀在d=5mm的樣機(jī)上對(duì)套筒溫度進(jìn)行了多點(diǎn)測(cè)量,其中①、②點(diǎn)處(見圖9)的溫度分別為:21.14℃和21.23℃;測(cè)量的平均溫度值為21.2℃,計(jì)算值為22.0℃,誤差為3.77%.從對(duì)比結(jié)果可見,計(jì)算精度滿足工程要求.4u型約束永磁同步電機(jī)的特性(1)采用A,φ-A三維有限元法對(duì)U型單相自起動(dòng)永磁同步電機(jī)三維渦流場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算,確定了銅皮套筒內(nèi)的渦流和渦流損耗密度.套筒內(nèi)的渦流損耗隨著套筒厚度的增加而增大.(2)利用流體相似理論