高速永磁无刷直流电机温度分布及改进措施研究

高速永磁无刷直流电机温度分布及改进措施研究

近年来，高速电机已广泛应用于储存辊、压缩机、真空风扇、涡轮机等领域。与普通电机相比，高速电机可以省消除磁体的电机速度系统，并直接连接到高速设备，从而减小了机器的尺寸，提高了操作效率。同时，由于高速电机的高旋转速度，采用悬浮式联轴器支撑，克服了传统机械轴承摩擦损失大的缺点，提高了电机的可靠性。然而，由于电机旋转的高速旋转，电机损失惨重，电机温度增加。现在，许多高速电机使用永磁电机。如果电机温度过高，越低越能耗，越不可逆转，另一方面，干扰组件的绝缘，降低圈的使用寿命，影响电机的长期稳定运行。因此，在电机设计阶段分析电机的温度分布是非常必要的。本文通过等效热网络法分析了一台55kW,60000r/min高速永磁无刷直流电机的温度分布,并通过有限元法验证了该电机热网络模型的正确性,最后在此基础上提出了降低电机损耗及改善散热条件的措施,可为电机的初期设计提供一定的理论指导.1电机损耗的定义高速永磁无刷直流电机的结构如图1所示,主要包括机座、电机、转轴、径向磁轴承和轴向磁轴承等部分.由于电机旋转时转子表面磁密分布不均,会在径向磁轴承转子铁心和轴向磁轴承推力盘中产生涡流损耗.为了保证转子的稳定悬浮,轴承线圈中还会通入控制电流,因此线圈中存在铜耗.由于气隙磁场的交变,电机定子铁心中会产生磁滞损耗、涡流损耗和异常损耗;电机定子电流不仅会在线圈中产生铜耗,电流中的谐波分量还会在电机转子护套及永磁体中感应出涡流损耗.由于转子的高速旋转,转子表面还存在很大的空气摩擦损耗.这些损耗最终都会转化为热量,其中因电机中的损耗占绝大部分,因此分析时以电机为主.电机损耗包括定子损耗、转子损耗、绕组损耗和空气摩擦损耗.1)定子损耗.电机定子损耗是指气隙中交变磁场在定子铁心中产生的磁滞、涡流和异常损耗,常用的计算方法是基于Berotti的分立铁耗计算模型,另外因气隙磁场中存在大量高次谐波,对铁心磁通密度波形作傅里叶分解,分别将各次磁通密度谐波幅值及频率代入下式,叠加后的计算值即为考虑交变磁场的铁心损耗,表达式为式中,Ps为定子损耗;kh,kc和ke分别为磁滞、涡流和异常损耗系数,可以通过厂家提供的铁磁材料损耗曲线拟合得到;B为磁通密度幅值;f为磁通交变频率.实验测得的1J50不同频率下的损耗密度随磁通密度的变化曲线如图2所示.2)转子损耗.电机转子损耗主要是指由于定子槽开口及定子电流的谐波分量在转子护套及永磁体中感应出的涡流损耗,表达式为式中,Pr为转子损耗;σ为材料的电导率;E为电场强度;J为涡流密度;V为损耗空间积分区域.3)绕组损耗.绕组损耗是由定子绕组通电产生的,本文中电机工作频率是1kHz,可以忽略绕组集肤效应的影响.由于电机工作在两两导通方式下,根据欧姆定律绕组损耗为式中,I为绕组相电流;R为绕组相电阻.4)空气摩擦损耗.空气摩擦损耗是转子旋转时引起的转子表面与空气之间的摩擦损耗,表达式为式中,Paf为空气摩擦损耗;ρair为空气密度;ωm为角速度;l,r分别为转子的长度和半径;Cf为摩擦系数.假定转子表面光滑,则式中,Reδ和Rea分别为轴向雷诺数和径向雷诺数,表达式为式中,δ为气隙径向长度;μair为空气动力粘度系数;υa为轴向强迫风冷风速.2等效热网络法高速电机系统结构复杂,热源较多且呈离散分布,等效热网络法是将损耗热源集中在各离散节点上,节点间通过热阻连接,然后根据电机内部热量的传递方向及路径建立网络拓扑关系的一种方法.用等效热网络法求得的是各个节点的局部温度值,精度较低,但能够形象直观地反映电机内部热量的传递关系.2.1电机系统简化高速永磁无刷直流电机热网络模型的建立,关键在于节点的选取及节点间热阻的求解.在保证计算精度的前提下,可对整个电机系统进行适当简化,简化后的电机轴向截面图及节点分布如图3所示.其中,Pi为各节点的损耗,i=1~14;Gij为节点i,j之间的热导,为对应热阻的倒数,i,j=1~14.2.3电机损耗的影响由电机的热平衡方程式(7)可知,影响节点温度的主要因素是各节点自身损耗Pi的大小及相互间的热导Gij.电机损耗的增大会增加电机内热源;而热导的变化又会影响电机内热量的传递路径,因此可以从这两个方面来对电机进行改进.由此得到电机的等效热网络模型如图4所示,其中,θa为外界环境温度,θi为各节点的温度(i=1~14),Rth为节点间的热阻.2.2电机稳态热平衡的确定电机工作时主要通过传导和对流散热,以辐射的形式散失的热量很少,可以忽略不计.当电机系统达到稳态热平衡时各节点的温度不再随时间变化,此时方程变为以各节点温度为变量的多元常系数方程.根据电机的等效热网络模型得到电机的稳态热平衡方程为3电机温度分布与等效热网络法相比,用有限元法进行热分析时单元划分更灵活,建模精度高,能更好地反映电机某一部分的温度.本文采用有限元法验证55kW,60000r/min电机的温度分布.3.1电机有限元模型采用有限元分析软件ANSYS对该电机系统达到热平衡时的状态进行整体热分析,用AN-SYS/Workbench建立的电机有限元仿真模型如图5所示.3.2电机的温度场分布电机的主要尺寸参数如表1所示,根据式(1)~式(4)对各部分损耗的计算,可得电机主要部件的损耗如表2所示,相应各关键组件的导热系数如表3所示,电机内的对流系数如表4所示.根据表2、表3、表4参数,设环境温度为30℃时,对电机达到热平衡时的状态进行有限元分析,分析得到的电机温度场分布如图6所示.3.3机热网络模型的准确性设环境温度为30℃时,电机的等效热网络与有限元仿真的温度结果比较如图7所示.从图中可以看出,电机的等效热网络温度计算结果和有限元仿真结果基本吻合,从而验证了电机热网络模型的正确性,同时可以看出热网络模型的计算结果略高于有限元仿真结果,最大误差为14%,其原因可能是:1)为了减少计算量,对电机结构进行了适当的简化以及分析热路时只考虑了热量的主要传递路径;2)对一些不规则几何体(如定子齿和端部绕组等)的热阻计算采用经验公式估算的方法,其计算误差会带来一定的温度计算误差.从图7中可以看出,电机中转子护套的温度最高,永磁体次之,超过了永磁材料的正常工作温度范围.为保证电机的稳定运行,根据上述对影响电机温度因素的分析,提出降低温度的措施.4有限元仿真结果根据前述分析,为降低电机各关键部件的温度,可从以下两方面进行考虑.1)减小电机损耗大小.电机的损耗大小直接决定了电机内的热源大小,因此改进电机的电磁设计,比如选择磁滞、涡流损耗系数更小的铁磁材料,增加电机定子铁心槽数以降低磁场的高次谐波分量幅值,在一定程度上均可以减小电机中的铁心损耗,从而从根源上降低电机各部分的温度.由前面的分析,为降低护套和永磁体温度,从减小损耗大小出发,本文采用碳纤维绑扎与铜片相结合的方式代替1Cr18Ni9Ti.采用碳纤维绑扎时转子表面不会产生高频涡流损耗,但是碳纤维导热性能较差,永磁体产生的热量不易散发出去.通过在永磁体表面放置0.5mm厚的薄层铜片,可以屏蔽气隙磁场中的高次谐波,进而减少永磁体中的磁滞损耗,同时铜片良好的导热性能还有助于加强永磁体散热.此时电机组件各部分的损耗值如表5所示,可以看出永磁体中的损耗有了明显的降低.2)改善散热条件.对于高速电机,要加快其内部热量的散出,可以通过选择导热性能更好的材料或增加材料的散热面积.分析结果表明:电机转子部分的温度最高,为改善转子散热环境,在电机轴上打直径为10mm的通孔.有限元仿真得到的电机改进后的温度场分布如图8所示,与等效热网络的结果比较如图9所示.对比改进前后的计算结果可以看出,改进后的电机转子部分温度有了明显降低,其中护套温度降低了约34℃,永磁体约54℃.因转子热量部分通过定子散失,使得定子齿部温度也略有降低,满足了电机的热性能要求.5电机热网络模型的验证本文对55kW,60000r/min高速永磁无刷直流电机的损耗进行分析,建立了电机的