低速永磁力矩电机三维温度场数值计算.pdfVIP

低速永磁力矩电机的三维温度场数值计算 赵伟，张洪亮，李勇 哈尔滨工业大学电气工程系，哈尔滨 (150001) E-mail ：zhaowei_1984@126.com 摘 要：本文根据传热学理论建立了永磁力矩电机稳态运行条件下三维暂态温度场的计算数 学模型，给出了求解域内的基本假设及相应的边界条件。根据电磁场计算，确定了定子铁心 热源分布。以某型力矩电机为例应用三维有限元法计算了电机温度场。对电机进行了温升实 验测试，仿真结果与实测结果基本上是吻合的。 关键词：永磁；力矩电机；温度场；仿真 中图分类号：TM351 1. 引言 永磁力矩电机是一种低转速、大转矩的电动机。它可在较低转速下长期工作，可以直接驱 动低速负载而无需机械减速器，具有转矩波动小，调节特性和机械特性线性度好等优点，特别 适合于高精度的位置伺服系统和低速控制系统。为提高电机材料的有效利用率，力矩电机常采 用较高的电磁负荷，而多数低速电机采用的自然冷却方式或者直接风扇冷却方式，由于电机 的转速较低，使得散热条件相对较差，因而力矩电机局部温升问题较为突出。并且，随着力 矩电机单机容量的不断增大、功率质量比的不断提高，单位体积产生的损耗也随之增大，因 而温升计算已成为永磁低速力矩电机设计的一项重要内容。 本文针对永磁力矩电机的特点，针对某一种机型建立了三维暂态温度场计算模型并进行 了数值计算，得到了电机各部件稳态温升的计算结果。最后在实验室中进行了样机的实验测 试，计算结果与实测结果基本上是相符的。该项工作为永磁低速力矩电机的温度场计算提供 了参考依据。 2. 永磁力矩电机的三维暂态温度场数学模型 考虑到对整个电机做三维温度场计算数据会比较庞大，计算比较困难，而且电机是轴向 对称结构，沿圆周方向也是周期性重复结构，所以选取周向半个齿半个槽的范围作为求解区 域[1]，如图 1 所示。 图 1 永磁力矩电机三维温度场模型 Fig.1 3D thermal FEM model of a PMSM - 1 - 2.1 基本假设 为方便有限元计算，永磁低速力矩电机求解域的基本假设如下[2-4] ： (1) 考虑定子绕组铜耗时，认为涡流效应对每根股线的影响相同，即取平均值； (2) 槽楔近似当作与槽同宽，槽内所有绝缘（股线绝缘、层间绝缘）其性能均认为与主 绝缘相同； (3) 齿和轭的表面、槽绝缘的外表面及轭背部与空气接触面的散热系数分别取其平均 值； (4) 假设定子铁耗热源不随温度变化，认为在电机运行中各区域的铁耗为恒值，只考虑 绕组热源的时变影响。 （5 ）忽略端部绕组发热产生传导的影响。 2.2 边界条件 与图 1 中的模型对应的边界条件如下： 1. 由于周向的对称性，认为中心断面 (定子轭、机壳、轴、磁极、转子轭等各中心断 面)为绝热面，应用第二类绝热边界条件。 2. 转子轭外表面与铁心内表面、机壳表面及端面、转子轭端面、磁极端面、铁心端面、 绝缘端面、定子端部绕组各表面、轴内表面及端面为散热面，应用第三类对流换热边界条件。 [5] 由此可得永磁低速力矩电机的暂态温度场方程组 ： 2 2 2 ⎧ ∂ T ∂ T ∂ T ∂T K x +K y +K z +q cγ ⎪ 2 2 2