高新技术 变频控制下永磁同步电机温度场分析 王盛武 楼高良 浙江省机电设计研究院有限公司，浙江 杭州 310051 摘要：在变频控制下的永磁同步电机在使用的过程当中经常会出现发热严重的现象，从而对其散热的结构产生相当严重的影响，因此需要对其升温的分布规律进行充分的研究，在计算机流体学的基础上进行传热传质学的有效研究，建立起包含形状复杂的散热翅，形成形象的物理模型。在本文当中首先对模型结构进行了分析；其次在实际应用的基础上对中小型电机内温升方面的工作进行了研究。 关键词：变频控制；永磁同步；电机温度场 中图分类号：TM341 文献标识码：B 文章编号：1006-8465（2017）01-0021-01 在电力系统当中，永磁同步电机在结构方面具有结构相对简单、可靠性相对较强以及效率相对较高的特点，在变频供电的情况下，会产生出大量的涡流损耗和谐波铁耗的现象，最终导致电机运行过程当中的温度过高。在此种情况下，就需要利用各种方式方法来对温度场进行分析，最大限度的掌握永磁驱动电机内温度的分布规律。 1 电机三维温度场计算模型 1.1 物理模型 在本文当中以双转子单定子结构为主要的研究对象，转子部分当中每一侧都是由32块形状近似为等腰梯形的永磁体利用阵列排列的方式进行组成的，其中PCB的绕组在两个转子盘之间的位置处。 1.2 温度场计算模型 在对温度场进行计算的时候，需要根据传热理论来进行计算，也就是在暂态运行的情况下对绕组的电机传热方式进行计算。在电磁稳定运行的情况下，纵向结构是呈现出周期重复的状态中的，因此可以根据任意一个永磁体的边界的直径来进行计算，轴向可以取整个电机当中的轴向长度来对温度场进行求解。 2 实际应用 在本文当中以一台50kW表贴式的永磁同步电机为主要的研究对象，根据电机的实际情况进行三维物理模型的建立，并且对电机内部的温度场以及流体场进行计算，最终对其温度场的特性进行掌握和了解，在进行计算的过程当中，利用有限元法来对额定情况下电机内部的电磁场进行仿真计算，从而对损耗分布进行统计。 2.1 模型确定以及求解条件 首先在数学模型方面，需要对永磁驱动电机在三维稳定状态下的温度场以及流体场进行研究。利用到热传学的基本原理，对不含时间项的导热方程进行研究，同时选用三维稳态含热源、各向异性介质的导热控制方程，表示在笛卡儿坐标系下，方程如下所示： 其中固体待求温度表示为T，K；kx、ky、kz分别为求解域内各种材料沿 x、y 以及 z 方向的导热系数，W/(m·K)；q 为求解域内各热源体密度之和，W/m3；为散热表面的散热系数，W/(m2K)；Tf为散热面周围流体的温度，K。 根据物理守恒的定律，可以得知：如果在永磁电机内部的流体的流动和传热会在一定程度上满足质量、动量的能量守恒。因此在进行假设的过程当中，可以将PMSM内部的定子绕组利用圆形散下线的方式进行分布，在槽内进行不规则的方式排序。因此在此种情况下的计算过程是相当复杂的，可以将求解过程进行简化，可以做出以下几种假设方式： （1）可以对电机内部的流体速度进行单项的研究，从而保证电机内部的流体的稳定状态，也就是常态流动，但是在控制方程方面是不会含有时间项的。 （2）对端部的股线利用平直化的处理方式。 （3）将定子槽内部的浸渍状态保持在良好的状态当中，对浸渍漆进行均匀对填充。 （4）对槽内的绝缘体和铁心进行紧密的结合，保证槽内绝缘热性能和主绝缘保持在相同的状态当中。 2.2 电机温升计算结果 通过对物理模型进行温度场与流体场的强耦合求解，可得到电机内的温升分布，将数据进行汇总之后得到了表1。 表1 永磁同步电机主要部件升温值 从表1中可以看出主要内部的构件的升温数值，根据表1还需要对求解域当中的固体部件升温的分布图进行绘制，从中可以发现在电机当中的转子部分的发热现象是相对明显的，定子部分的升温幅度要相对较低。 2.3 电机机壳温升结果分析 在本文当中还需要对电机的机壳温值数据进行分析，可以发现在电机接线盒及吊装位置的温度升高幅度是相对较高的，其中最高温升为 49.65K，造成这种现象的主要原因是电机接线盒及吊环对外风路空气在流动的过程当中产生了一定的阻碍作用。 2.4 定子部位温升结果分析 在外界当中，由于接线盒对外风路的阻碍作用，从而对接线盒附近空气的冷却能力也造成了下降的作用，在定子铁心和机壳当中是处于紧密接触的状态，因此也需要对定子铁心的温升分布特点进行充分的研究。最后本文还对各定子股线的温升变化曲线示意图进行了研究，如表2 所示。 表2 定子股线平均温升变化示意图 从上表当中可以看出定子股线的最高温升变化为70.29K，集中体现在1号定子上层股线的部分当中，由于纵向位置和电机当中接线盒的处于相对应的状态当中，因此在外界环境的影响下，和电机接线盒之间会产生一定的阻碍作用，导致电机风量的损失现象，最终对接线盒自身的冷却能力得到进一步的下降。 3 结语 综上所述，本文根据实际的情况来建立出了物理模型，在变频供电的情况下对电机内部的三维温度场的变化进行掌握并且进行流体场的耦合计算。在电机最底部当中的散热器当中和相邻的对比的情况下，宽度要相对较宽，但是在散热面积以及冷却的介质方面却降低到了最低的数值；与此同时，接线盒自身对于电机内部的温升分布也会产生一定的影响，但是会受到外界因素的影响。 参考文献： [1]丁树业,郭保成,冯海军等.变频控制下永磁同步电机温度场分析[J].中国电机工程学报,2014,(9):1368-1375. [2]陈清洁,徐政,李友春等.基于变频控制的风电提水系统关键技术研究[J].电气传动,2010,40(7):23-27. [3]王明兴.工频和变频控制两用的三相永磁同步电机[J].纺织机械,2013,(2):41-42. 2017年1期︱21︱