齒諧波勵磁的混合勵磁發電機溫度場分析

夏永洪，徐 波

(南昌大學，南昌 300130)

齒諧波勵磁的混合勵磁發電機溫度場分析

夏永洪，徐 波

(南昌大學，南昌 300130)

為了分析齒諧波勵磁的混合勵磁永磁同步發電機中齒諧波磁場的利用對其溫升的影響，推導了該類發電機二維溫度場計算模型，提出采用Maxwell和Fluent軟件相結合的方法對發電機溫度場進行計算，應用Maxwell軟件建立發電機損耗計算模型，準確計算其定、轉子鐵耗及永磁體渦流損耗，并結合定、轉子銅損耗及機械損耗，以此作為發電機熱源導入Fluent軟件對其進行熱分析，得到了定、轉子溫度分布云圖，可以清晰地看出發電機截面的溫度分布情況。仿真結果表明：發電機內溫度主要集中在定轉子鐵心內部和繞組處，與實際情況吻合，驗證了溫度場計算方法的正確性。

齒諧波；混合勵磁；永磁同步發電機；溫度場

0 引 言

對電機溫度場的準確計算屬于電機研發設計和觀察其運行可靠性時的重要研究內容。溫度分布在一個合理的范圍內，不僅可以保證電機的穩定運行，而且還能夠合理的控制電機的制造成本和提高電機的運行效率[1-3]。電機在正常的運行過程中會產生各種損耗，最終都會轉變為熱能，這樣就會導致電機的各部分溫度上升，不同絕緣等級的材料，其溫度允許值是不同的。研究表明，溫升過高會破壞材料的絕緣層，會降低電機的工作效益、壽命，甚至燒毀電機[4]。對于含有永磁體的電機，溫升過高不僅會加速電機繞組絕緣材料的老化，還會導致永磁體出現去磁的現象，從而影響電機的工作性能。

齒諧波勵磁的混合勵磁永磁同步發電機不同于其他的混合勵磁電機，由于該電機在轉子部位開槽放置齒諧波繞組，在繞組中產生的感應電動勢又經整流裝置傳遞給了勵磁繞組，從而既有效的利用了電機中固有的齒諧波，又省掉了電刷和滑環裝置，但由于在轉子上開槽放置齒諧波繞組的同時會給電機帶來一些新的損耗，為了了解這些損耗轉化為熱源后對電機溫升的影響，本文通過簡化電機溫度場仿真模型，采用Maxwell和Fluent有限元軟件相結合的方式來對該電機的溫度場進行仿真，明確了電機內的溫度分布情況[5-6]。

1 二維溫度場計算模型

由于本文所采用的齒諧波勵磁的混合勵磁永磁同步發電機內無通風裝置，且轉子側開槽放置齒諧波繞組，繞組中產生的電流會使得電機內銅耗增加。開槽后，電機內部的諧波含量也會有所增加，使得轉子鐵心的鐵耗及永磁體中的渦流損耗有所上升故不能忽略，電機內的熱源數量增加，使得整個熱傳遞過程復雜，在電機進行穩態溫度場分析時，為了簡化分析過程，對該電機做如下假設：(1) 電機軸向連續分布且溫度梯度為零；(2) 各部分的傳導介質都為各向同性；(3) 不計內部輻射；(4) 槽內繞組和絕緣物質等效為一個導熱體。

結合上述假設條件，由能量守恒原理和熱傳遞理論在求解域內的二維溫度場方程：

(1)

式中：λ為材料的導熱系數；T為各點的溫度；qv為熱源密度；ρ為材料的密度；c為材料的比熱；τ為時間[7]。

(2)

式中：T0為l1邊界上的溫度；q0為通過l2邊界上的熱流密度；Tf為與l3邊界接觸的介質溫度[8]。

2 電機內部損耗計算

本文以齒諧波勵磁混合勵磁永磁同步發電機為分析實例，其具體參數如下：額定功率4.25 kW，額定轉速為1 000 r/min；定子外徑260 mm，轉子外徑178.4 mm,氣隙長度0.8 mm，極對數為3，相數為3。該電機的損耗計算模型如下圖所示。

圖1 損耗計算模型

該電機在運行的過程中，電機各部位會產生相應的損耗，由于本電機轉子表面開槽放置齒諧波繞組，使得電機內諧波含量增加，故轉子鐵心的損耗不能忽略，因此電機內的損耗包括定、轉子鐵耗及永磁鐵渦流損耗和定轉子繞組銅耗，由于本文主要分析齒諧波繞組對其他部位溫度的影響，故不考慮電機的機械損耗。電機內部損耗最終都以能量轉換的方式轉換為熱能，使電機溫度升高。

2.1 定、轉子鐵耗的計算

計算電機鐵耗有磁路法和有限元法，但由于磁路法計算出的總損耗精度主要取決于經驗系數且無法從其中分離出各部分損耗，而有限元法能夠實現電機各部分損耗的單獨計算且精度較高。本文采用Maxwell有限元法對定轉子鐵耗進行計算，鐵耗主要由磁滯，渦流及附加損耗組成，其損耗表達式如下：

(3)

式中：Kh代表磁滯損耗系數;Kc代表渦流損耗系數；Ke為附加損耗系數；Bm為磁通密度幅值；α為Steimmetz系數[9]。

本文通過Maxwell計算出該電機的定轉子鐵耗如下圖所示。

圖2 定子鐵耗圖3 轉子鐵耗

由圖2和圖3可以看出，定子鐵耗要比轉子鐵耗大很多，主要是由于轉子和電機的基波同步旋轉，而轉子的損耗主要是由于諧波在鐵心中產生的損耗。轉化為熱源的損耗值取穩定后曲線的平均值。

2.2 永磁體渦流損耗計算

由于電機內各次諧波豐富，在永磁體中會形成渦流，從而造成渦流損耗，其損耗計算公式為：

(4)

式中：Jz代表z軸方向的電流密度分量，σ為永磁體的電導率，本文通過Maxwell計算出該電機永磁體渦流損耗如下圖所示。

圖4 永磁體渦流損耗

由上圖可以看出電機內渦流損耗較小，其產生的主要原因是電機內各次諧波含量較多在永磁體內產生的渦流損耗。轉化熱源的損耗值取溫度后的有效值。

2.3 繞組銅耗計算

當繞組中流過相應的電流，會在其中產生相應的銅耗，其計算公式為：

(5)

式中:m代表電機相數;l代表定子繞組中電流有效值，R代表每相繞組的有效電阻。

2.4 機械損耗計算

機械損耗主要是軸承的摩擦損耗，其計算公式：

(6)

式中：p代表極對數；v代表圓周速度；lm代表軸承長度。

通過計算得到各部分的損耗值如表1所示。

表1 電機損耗值

3 溫度場參數

3.1 生熱率

生熱率指的是在單位時間內單位面積的內熱源所產生的熱量大小。由此可得生熱率Q計算式為：

(7)

式中：W代表電機各部分熱損耗，V代表各部分面積。

轉換后的各部分生熱率的值如表2所示。

表2 電機生熱率

3.2 導熱系數

3.2.1 定轉子鐵心的導熱系數

由于定轉子鐵心都是采用涂有浸漬漆的硅鋼片疊壓而成，所以它的導熱系數會比硅鋼片小，所以本文采用等效導熱系數來處理，由文獻知，其等效公式：

(8)

式中：KFe代表鐵心的疊壓系數，λ1代表硅鋼片的導熱系數，λ0代表絕緣漆的導熱系數(一般為空氣的5～10倍)。

3.2.2 槽內物體等效導熱系數

由于制造工藝及材料分子的內部構造問題，因此我們對模型做了以下簡化：各部分材料均勻分布且將槽內所有的物體(包括槽楔、絕緣紙、繞組及其表面的浸漬漆)和空氣等效為一個導熱體。該導熱體的等效導熱系數λ計算式：

(9)

式中：δi代表各種絕緣材料的等效厚度；λi代表各種絕緣材料的導熱系數。

3.3 表面散熱系數

電機內部溫度場的準確計算很大程度上是由相應部件的散熱系數所決定的，表面散熱系數包括定子鐵心端面散熱系數轉子端面散熱系數和機殼散熱系數定子端面散熱系數αs計算式：

(10)

式中：Vs代表定子鐵心軛部軸向風速。轉子端面散熱系數αr計算式：

(11)

式中：Vr代表轉子圓周速度，Vr=πdf,d為轉子直徑[10]。

4 溫度場分析

利用Fluent軟件計算電機溫度場時，作如下假設：(1) 環境溫度為常數26.85℃；(2) 熱源均勻分布；(3) 材料的密度、比熱容、導熱系數均為常數，不隨溫度的變化而變化；(4) 計算達到平衡時，電機各部件的溫度趨于穩定。

取電機帶額定負載的情況，通過前述計算得到溫度場的參數，加載到求解域上得到溫度分布結果如圖5、圖6所示。

圖5 定子溫度分布云圖圖6 轉子溫度分布云圖

圖5、圖6是電機帶額定負載的情況下，定轉子的溫度分布云圖，電機定子外表面的熱量會通過空氣散出，而定子內表面的部分熱量會被旋轉的空氣帶走，故定子側的熱量主要集中在電樞繞組內側及定子軛中部，轉子部分熱量主要集中在繞組內，且沿氣隙的周圍溫度較電機轉子內部溫度較低，熱量主要集中在轉子內側，由于轉軸部分采用45號鋼，比熱容和密度較大，導熱系數低，故溫度分布梯度較大，且轉軸的熱源由表2可知，熱源值較高，故熱量主要集中在轉軸中心位置。

電機各部位的溫度值如表3所示。

表3 電機溫度值

由表3可以看出，溫度較高處主要集中在繞組部位，且永磁體的最高溫度仍然在它的其正常工作溫度之內，不會影響它的磁性。

5 結 語

本文先通過Maxwell軟件計算出來電機各部分的損耗值，然后轉化為熱源導入到Fluent軟件對齒諧波勵磁的混合勵磁永磁同步發電機的溫度場仿真作了詳細分析，并且對電機各部分的參數的處理作了詳細說明和處理，通過仿真結果明確了電機內的溫度分布規律，對后續研究該類電機的溫度場仿真提供了參考依據。

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Hybrid Excitation Generator Tooth Harmonic Excitation Temperature Field Analysis

XIAYong-hong,XuBo

(Nanchang University,Jiangxi 330031,China)

To analyze the impact on temperature rise caused by the tooth harmonics filed applied in hybrid excitation permanent magnet synchronous generator utilizing tooth harmonics for the excitation, a mathematical model for two-dimensional temperature filed was deduced. A mix of Maxwell and Fluent software was employed to calculate the temperature filed of the generator, where Maxwell software was adopt to model computation for generator loss. The iron losses of stator and rotor could be generated precisely, and imported into fluent software combining with the copper losses of those, as generator sources of heat. Furthermore, the temperature contours of stator and rotor were obtained with the help of thermal analysis for the generator, where the temperature distribution of the generator section was presented clearly. Simulation results demonstrate the correctness of the proposed method i.e. the temperature of the generator mainly concentrated in internal iron cores of stator and rotor and winding with the practical case.

tooth harmonics; hybird excitation; permanent magnet synchronous generator; temperature filed

2016-04-19

國家自然科學基金項目(51367013)；江西省教育廳科技項目(GJJ14164)；江西省研究生創新專項資金項目(YC2014-S068)

TM341

A

1004-7018(2017)01-0019-04

夏永洪(1978-)，男，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為電機及其控制。