浙江省嘉兴市博远机电（嘉兴）有限公司 浙江 嘉兴 314001
摘要：永磁同步电机在变频供电情况下，其磁场中的谐波含量大，从而产生大量的涡流损耗和谐波铁耗，导致电机运行时温度升高，使电机内温度过高会导致永磁体产生退磁现象，而永磁体电磁性能又将直接影响电机效率、使用寿命及运行可靠性等，因此，有必要准确地分析并掌握永磁同步电机内三维温度场分布及流体场流动特性，本文以某一永磁同步电机建立包含电机散热结构在内的三维模型，对该永磁同步电机进行内部温度场及流体场进行计算分析，着重分析其主要部件的温升分布特性。
关键词：永磁同步电机；三维全域；温度场分析
1 引言
目前，对电机温度场的分析主要采用的是简化公式法、等效热网络法和有限元法等，由于电机内部温度场的分布较为复杂，有限元法对电机定子、定转子全域进行了二维温度场计算，分析气隙温度和机壳表面散热的变化对定子温升的影响，采用有限元及网格进行电机温度场的分析。
2 模型确定及求解条件
2.1 数学模型
以某一永磁同步电机为例，对其进行三维稳态温度场及流体场数值的研究。由传热学基本原理可知，对稳态温度场进行求解时，并且导热方程不含时间项，同时选用三维稳态含热源、各向异性介质的导热控制方程，在笛卡儿坐标系下，三维导热方程式如下：
2.2基本假设
永磁同步电机内定子绕组采用圆形散下线形式，绕组在槽内排列极不规则，为了合理简化求解过程，做出基本假设如下：
只研究电机内流体流速的稳定状态，即定常流动，因而控制方程不含有时间项；2）定子槽内浸渍状态良好，浸渍漆填充均匀，且铜线绝缘漆分布均匀；3）端部股线采用平直化处理；4）槽内所有绝缘(包括槽楔)的热性能与主绝缘相同，槽内槽绝缘和铁心紧密结合在一起；5）因电机内流体流动时的雷诺数很大，故采用湍流模型对电机内的流场进行求解；6）在电机内流体流速远小于声速，即马赫数很小，故把流体作为不可压缩流体进行处理。
2.2 通风结构
此永磁同步电机内流体流动情况复杂，电机外部采用强迫通风冷却系统，通过外部风机使空气在散热片间流动，从而带走电机内的热量，实现降低电机温升的目的。
2.3 物理模型
根据在上述假设情况下，可将电机定子槽内的铜线(不包括绝缘漆)等效为整铜块；浸渍漆、槽绝缘和铜线的漆膜近似为另一导热体，等效之后的铜块位置分别位于上、下层槽中心处，四周与槽壁平行，浸渍漆和槽绝缘均匀的分布在铜块四周。根据本文中永磁同步电机的结构特点以及传热特性，建立包裹电机的外部柱状空气域，取电机整个轴向长度的半个圆周方向作为电机耦合场的求解域。求解域物理模型见图1：
图1 求解域物理模型图
在综合考虑其模型的计算精度及仿真时间的情况下，此电机采用混合网格划分，在流体流动关键区域进行边界层处理。由于此电机风罩结构复杂，采用四面体网格进行划分，而电机结构中较为规则的区域采用结构性六面体网格划分，划分完成后单元数为5 037 000，求解域物理网格划分见图2：
图2 求解域物理模型网格划分示意图
2.4 边界条件
根据永磁同步电机的通风结构以及传热特性，认为冷却介质入口为电机外部风机与端部风罩接口处，出口为包裹电机的外部空气域。求解域内具体边界条件如下：
1）入口采用速度入口边界条件，入口风速为14.25 m/s；
2）风路出口采用压力出口边界条件，初始值设置为一个标准大气压；
3）求解域内流体与固体接触面均认为是无滑移边界；
4）电机外部机壳表面为散热面，求解域其余外边界均认为是绝热面。
3 结论
由于变频永磁同步电机场采用变频器供电，在变频工况下永磁同步电机的永磁体及定转子铁心会产生大量的涡流损耗和谐波损耗。并以热能的形式体现，这就使得电机内部整体或局部温升升高，甚至会导致永磁体失磁，严重影响电机的运行性能及可靠性能等。因此，准确分析并掌握告诉永磁同步电机内温度分布情况，在此基础上合理的设计电机冷却系统具有重要意义。
本文建立了永磁同步电机三维温度场模型，采用有限体积对其稳态温度场进行计算，对计算结果进行分析得出以下结论：当电机温升稳定后，永磁体的温度最高，转子永磁体区域的整体温度高于转子温度，电机机壳表面的温度是最低的。并对样机进行温升试验，验证了该方法的计算准确性，为永磁同步电机的优化设计具有指导意义。
参考文献
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论文作者:闫丽利
论文发表刊物:《防护工程》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/22
标签：永磁论文; 电机论文; 流体论文; 同步电机论文; 温度场论文; 转子论文; 定子论文; 《防护工程》2017年第18期论文;