高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)溫度分布及改進(jìn)措施研究

高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)溫度分布及改進(jìn)措施研究

近年來(lái)，高速電機(jī)已廣泛應(yīng)用于儲(chǔ)存輥、壓縮機(jī)、真空風(fēng)扇、渦輪機(jī)等領(lǐng)域。與普通電機(jī)相比，高速電機(jī)可以省消除磁體的電機(jī)速度系統(tǒng)，并直接連接到高速設(shè)備，從而減小了機(jī)器的尺寸，提高了操作效率。同時(shí)，由于高速電機(jī)的高旋轉(zhuǎn)速度，采用懸浮式聯(lián)軸器支撐，克服了傳統(tǒng)機(jī)械軸承摩擦損失大的缺點(diǎn)，提高了電機(jī)的可靠性。然而，由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)，電機(jī)損失慘重，電機(jī)溫度增加。現(xiàn)在，許多高速電機(jī)使用永磁電機(jī)。如果電機(jī)溫度過(guò)高，越低越能耗，越不可逆轉(zhuǎn)，另一方面，干擾組件的絕緣，降低圈的使用壽命，影響電機(jī)的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。因此，在電機(jī)設(shè)計(jì)階段分析電機(jī)的溫度分布是非常必要的。本文通過(guò)等效熱網(wǎng)絡(luò)法分析了一臺(tái)55kW,60000r/min高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的溫度分布,并通過(guò)有限元法驗(yàn)證了該電機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型的正確性,最后在此基礎(chǔ)上提出了降低電機(jī)損耗及改善散熱條件的措施,可為電機(jī)的初期設(shè)計(jì)提供一定的理論指導(dǎo).1電機(jī)損耗的定義高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1所示,主要包括機(jī)座、電機(jī)、轉(zhuǎn)軸、徑向磁軸承和軸向磁軸承等部分.由于電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)子表面磁密分布不均,會(huì)在徑向磁軸承轉(zhuǎn)子鐵心和軸向磁軸承推力盤(pán)中產(chǎn)生渦流損耗.為了保證轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮,軸承線圈中還會(huì)通入控制電流,因此線圈中存在銅耗.由于氣隙磁場(chǎng)的交變,電機(jī)定子鐵心中會(huì)產(chǎn)生磁滯損耗、渦流損耗和異常損耗;電機(jī)定子電流不僅會(huì)在線圈中產(chǎn)生銅耗,電流中的諧波分量還會(huì)在電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套及永磁體中感應(yīng)出渦流損耗.由于轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子表面還存在很大的空氣摩擦損耗.這些損耗最終都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量,其中因電機(jī)中的損耗占絕大部分,因此分析時(shí)以電機(jī)為主.電機(jī)損耗包括定子損耗、轉(zhuǎn)子損耗、繞組損耗和空氣摩擦損耗.1)定子損耗.電機(jī)定子損耗是指氣隙中交變磁場(chǎng)在定子鐵心中產(chǎn)生的磁滯、渦流和異常損耗,常用的計(jì)算方法是基于Berotti的分立鐵耗計(jì)算模型,另外因氣隙磁場(chǎng)中存在大量高次諧波,對(duì)鐵心磁通密度波形作傅里葉分解,分別將各次磁通密度諧波幅值及頻率代入下式,疊加后的計(jì)算值即為考慮交變磁場(chǎng)的鐵心損耗,表達(dá)式為式中,Ps為定子損耗;kh,kc和ke分別為磁滯、渦流和異常損耗系數(shù),可以通過(guò)廠家提供的鐵磁材料損耗曲線擬合得到;B為磁通密度幅值;f為磁通交變頻率.實(shí)驗(yàn)測(cè)得的1J50不同頻率下的損耗密度隨磁通密度的變化曲線如圖2所示.2)轉(zhuǎn)子損耗.電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗主要是指由于定子槽開(kāi)口及定子電流的諧波分量在轉(zhuǎn)子護(hù)套及永磁體中感應(yīng)出的渦流損耗,表達(dá)式為式中,Pr為轉(zhuǎn)子損耗;σ為材料的電導(dǎo)率;E為電場(chǎng)強(qiáng)度;J為渦流密度;V為損耗空間積分區(qū)域.3)繞組損耗.繞組損耗是由定子繞組通電產(chǎn)生的,本文中電機(jī)工作頻率是1kHz,可以忽略繞組集膚效應(yīng)的影響.由于電機(jī)工作在兩兩導(dǎo)通方式下,根據(jù)歐姆定律繞組損耗為式中,I為繞組相電流;R為繞組相電阻.4)空氣摩擦損耗.空氣摩擦損耗是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)引起的轉(zhuǎn)子表面與空氣之間的摩擦損耗,表達(dá)式為式中,Paf為空氣摩擦損耗;ρa(bǔ)ir為空氣密度;ωm為角速度;l,r分別為轉(zhuǎn)子的長(zhǎng)度和半徑;Cf為摩擦系數(shù).假定轉(zhuǎn)子表面光滑,則式中,Reδ和Rea分別為軸向雷諾數(shù)和徑向雷諾數(shù),表達(dá)式為式中,δ為氣隙徑向長(zhǎng)度;μair為空氣動(dòng)力粘度系數(shù);υa為軸向強(qiáng)迫風(fēng)冷風(fēng)速.2等效熱網(wǎng)絡(luò)法高速電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,熱源較多且呈離散分布,等效熱網(wǎng)絡(luò)法是將損耗熱源集中在各離散節(jié)點(diǎn)上,節(jié)點(diǎn)間通過(guò)熱阻連接,然后根據(jù)電機(jī)內(nèi)部熱量的傳遞方向及路徑建立網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系的一種方法.用等效熱網(wǎng)絡(luò)法求得的是各個(gè)節(jié)點(diǎn)的局部溫度值,精度較低,但能夠形象直觀地反映電機(jī)內(nèi)部熱量的傳遞關(guān)系.2.1電機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)化高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型的建立,關(guān)鍵在于節(jié)點(diǎn)的選取及節(jié)點(diǎn)間熱阻的求解.在保證計(jì)算精度的前提下,可對(duì)整個(gè)電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化,簡(jiǎn)化后的電機(jī)軸向截面圖及節(jié)點(diǎn)分布如圖3所示.其中,Pi為各節(jié)點(diǎn)的損耗,i=1~14;Gij為節(jié)點(diǎn)i,j之間的熱導(dǎo),為對(duì)應(yīng)熱阻的倒數(shù),i,j=1~14.2.3電機(jī)損耗的影響由電機(jī)的熱平衡方程式(7)可知,影響節(jié)點(diǎn)溫度的主要因素是各節(jié)點(diǎn)自身?yè)p耗Pi的大小及相互間的熱導(dǎo)Gij.電機(jī)損耗的增大會(huì)增加電機(jī)內(nèi)熱源;而熱導(dǎo)的變化又會(huì)影響電機(jī)內(nèi)熱量的傳遞路徑,因此可以從這兩個(gè)方面來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行改進(jìn).由此得到電機(jī)的等效熱網(wǎng)絡(luò)模型如圖4所示,其中,θa為外界環(huán)境溫度,θi為各節(jié)點(diǎn)的溫度(i=1~14),Rth為節(jié)點(diǎn)間的熱阻.2.2電機(jī)穩(wěn)態(tài)熱平衡的確定電機(jī)工作時(shí)主要通過(guò)傳導(dǎo)和對(duì)流散熱,以輻射的形式散失的熱量很少,可以忽略不計(jì).當(dāng)電機(jī)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)熱平衡時(shí)各節(jié)點(diǎn)的溫度不再隨時(shí)間變化,此時(shí)方程變?yōu)橐愿鞴?jié)點(diǎn)溫度為變量的多元常系數(shù)方程.根據(jù)電機(jī)的等效熱網(wǎng)絡(luò)模型得到電機(jī)的穩(wěn)態(tài)熱平衡方程為3電機(jī)溫度分布與等效熱網(wǎng)絡(luò)法相比,用有限元法進(jìn)行熱分析時(shí)單元?jiǎng)澐指`活,建模精度高,能更好地反映電機(jī)某一部分的溫度.本文采用有限元法驗(yàn)證55kW,60000r/min電機(jī)的溫度分布.3.1電機(jī)有限元模型采用有限元分析軟件ANSYS對(duì)該電機(jī)系統(tǒng)達(dá)到熱平衡時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行整體熱分析,用AN-SYS/Workbench建立的電機(jī)有限元仿真模型如圖5所示.3.2電機(jī)的溫度場(chǎng)分布電機(jī)的主要尺寸參數(shù)如表1所示,根據(jù)式(1)~式(4)對(duì)各部分損耗的計(jì)算,可得電機(jī)主要部件的損耗如表2所示,相應(yīng)各關(guān)鍵組件的導(dǎo)熱系數(shù)如表3所示,電機(jī)內(nèi)的對(duì)流系數(shù)如表4所示.根據(jù)表2、表3、表4參數(shù),設(shè)環(huán)境溫度為30℃時(shí),對(duì)電機(jī)達(dá)到熱平衡時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行有限元分析,分析得到的電機(jī)溫度場(chǎng)分布如圖6所示.3.3機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性設(shè)環(huán)境溫度為30℃時(shí),電機(jī)的等效熱網(wǎng)絡(luò)與有限元仿真的溫度結(jié)果比較如圖7所示.從圖中可以看出,電機(jī)的等效熱網(wǎng)絡(luò)溫度計(jì)算結(jié)果和有限元仿真結(jié)果基本吻合,從而驗(yàn)證了電機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型的正確性,同時(shí)可以看出熱網(wǎng)絡(luò)模型的計(jì)算結(jié)果略高于有限元仿真結(jié)果,最大誤差為14%,其原因可能是:1)為了減少計(jì)算量,對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化以及分析熱路時(shí)只考慮了熱量的主要傳遞路徑;2)對(duì)一些不規(guī)則幾何體(如定子齒和端部繞組等)的熱阻計(jì)算采用經(jīng)驗(yàn)公式估算的方法,其計(jì)算誤差會(huì)帶來(lái)一定的溫度計(jì)算誤差.從圖7中可以看出,電機(jī)中轉(zhuǎn)子護(hù)套的溫度最高,永磁體次之,超過(guò)了永磁材料的正常工作溫度范圍.為保證電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行,根據(jù)上述對(duì)影響電機(jī)溫度因素的分析,提出降低溫度的措施.4有限元仿真結(jié)果根據(jù)前述分析,為降低電機(jī)各關(guān)鍵部件的溫度,可從以下兩方面進(jìn)行考慮.1)減小電機(jī)損耗大小.電機(jī)的損耗大小直接決定了電機(jī)內(nèi)的熱源大小,因此改進(jìn)電機(jī)的電磁設(shè)計(jì),比如選擇磁滯、渦流損耗系數(shù)更小的鐵磁材料,增加電機(jī)定子鐵心槽數(shù)以降低磁場(chǎng)的高次諧波分量幅值,在一定程度上均可以減小電機(jī)中的鐵心損耗,從而從根源上降低電機(jī)各部分的溫度.由前面的分析,為降低護(hù)套和永磁體溫度,從減小損耗大小出發(fā),本文采用碳纖維綁扎與銅片相結(jié)合的方式代替1Cr18Ni9Ti.采用碳纖維綁扎時(shí)轉(zhuǎn)子表面不會(huì)產(chǎn)生高頻渦流損耗,但是碳纖維導(dǎo)熱性能較差,永磁體產(chǎn)生的熱量不易散發(fā)出去.通過(guò)在永磁體表面放置0.5mm厚的薄層銅片,可以屏蔽氣隙磁場(chǎng)中的高次諧波,進(jìn)而減少永磁體中的磁滯損耗,同時(shí)銅片良好的導(dǎo)熱性能還有助于加強(qiáng)永磁體散熱.此時(shí)電機(jī)組件各部分的損耗值如表5所示,可以看出永磁體中的損耗有了明顯的降低.2)改善散熱條件.對(duì)于高速電機(jī),要加快其內(nèi)部熱量的散出,可以通過(guò)選擇導(dǎo)熱性能更好的材料或增加材料的散熱面積.分析結(jié)果表明:電機(jī)轉(zhuǎn)子部分的溫度最高,為改善轉(zhuǎn)子散熱環(huán)境,在電機(jī)軸上打直徑為10mm的通孔.有限元仿真得到的電機(jī)改進(jìn)后的溫度場(chǎng)分布如圖8所示,與等效熱網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果比較如圖9所示.對(duì)比改進(jìn)前后的計(jì)算結(jié)果可以看出,改進(jìn)后的電機(jī)轉(zhuǎn)子部分溫度有了明顯降低,其中護(hù)套溫度降低了約34℃,永磁體約54℃.因轉(zhuǎn)子熱量部分通過(guò)定子散失,使得定子齒部溫度也略有降低,滿(mǎn)足了電機(jī)的熱性能要求.5電機(jī)熱網(wǎng)絡(luò)模型的驗(yàn)證本文對(duì)55kW,60000r/min高速永磁無(wú)刷直流電機(jī)的損耗進(jìn)行分析,建立了電機(jī)的