永磁同步牽引電機的溫升計算研究

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(中車永濟電機有限公司，陜西西安 710016)

0 引言

永磁同步牽引電機作為地鐵和動車的動力核心，它的性能直接關系到地鐵和動車的運輸品質(zhì)，因此對永磁同步牽引電機提出了越來越高的要求。電機由于采用的是全封閉設計結(jié)構(gòu)，電機溫度過高會導致永磁體的失磁，這會對電機的安全造成嚴重后果，電機溫度過低，造成原材料浪費，增加電機成本，因此對電機溫升進行計算是進行電機優(yōu)化設計的關鍵環(huán)節(jié)。

1 牽引電機發(fā)展及其結(jié)構(gòu)

直流電機于19世紀被用于牽引電機，已有150年歷史，串勵式直流電動機具有有很好的拖動特性，并且在速度控制方便，長期以來一直用做牽引電機，但是換向器磨損導致電機需頻繁維護，同時換向器對電流和電壓限制，導致直流電機功率提高受到限制，這些都限制了直流牽引電機發(fā)展。19世紀末，德國某公司研發(fā)繞線式轉(zhuǎn)子異步電動機，成為牽引電機開始，20世紀80年代，BR120型牽引電機用于電力機車。1991年，日本研究直驅(qū)式永磁同步牽引電機，2011年我公司研制出190kW永磁同步牽引系統(tǒng)，圖1為三相異步牽引電機。

圖1 三相異步牽引電機

圖2為永磁同步牽引電機。永磁電機具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、運行可靠以及效率高等優(yōu)點[1]。

圖2 永磁同步牽引電機

2 電機流體場分析

2.1 冷卻結(jié)構(gòu)

永磁同步牽引電機溫升與冷卻系統(tǒng)有密切關系，圖3為電機冷卻系統(tǒng)示意圖，電機采用強迫風冷，熱量由冷卻空氣帶走，定子為環(huán)形繞組，既可減少端部尺寸，又可增加散熱面積，提高冷卻能力。

圖3 電機冷卻系統(tǒng)示意圖

2.2 基本方程與物理模型

研究一臺24槽的永磁電機，電機轉(zhuǎn)速速度很大，因此電機氣隙中雷諾數(shù)很大，流體的流動狀態(tài)為紊流狀態(tài)，建立基本方程，假設如下

(1)冷卻流體為不可壓縮流體，流體流速遠小于音速。

(2)流體在通風道的流動認定為定常流動，忽略重力和浮力。

依據(jù)粘性流體力學理論，可得出通用控制方程[2-3]

(1)

對式(1)進行積分，可得方程

(2)

式中，Φ—通用變量；Г—廣義擴散系數(shù)；S、SΦ—與Φ對應的廣義源項；ρ—流體密度。

24槽的永磁電機，由于電機對稱性，對于研究流體和散熱問題，可以取電機的1/24作為研究對象，建立實體模型，見圖4,A為周期性邊界面，B和C為內(nèi)外通風道入口，D和E為壓力出口，F(xiàn)為轉(zhuǎn)子和氣隙交接面，B、C處氣體流入速度分別為20m/s、16m/s,進入氣體溫度為20℃。采用Flunt軟件進行模擬結(jié)果，到流體流速分布情況見圖5。

圖4 1/24電機三位模型

圖5 流體流速分布

3 等效熱路法與流體場結(jié)合計算溫升

等效熱路法是利用傳熱學和電路的相似性，將真實熱源與熱阻用熱源和電阻參數(shù)表示，然后進行等效計算。這種方法計算量少，計算的準確度取決于熱阻和散熱系數(shù)等參數(shù)。

3.1 熱路分析

熱量從高溫區(qū)傳到低溫區(qū)，基本方式有三種：熱傳導、熱對流和熱輻射。對于永磁同步牽引電機，由于速度快，電機軸向氣流較大，可以忽略定子和轉(zhuǎn)子之間熱交換，只考慮各自熱路，定子鐵心、繞組、轉(zhuǎn)子護套和永磁鐵既是熱源又是熱阻，熱阻分為傳導熱阻(Rλ)和散熱熱阻(Ra)，計算公式見式(3)和式(4)，其中δ為長度、λ為材料熱導率、S為面積、α為散熱系數(shù)，溫度隨時間和空間變化，電機溫升以最高溫度為準，對于發(fā)熱原件采用平均溫升代替最高溫升。

(3)

(4)

3.2 散熱系數(shù)

散熱系數(shù)一般是通過經(jīng)驗公式和假設風速條件進行結(jié)合計算得出的，這樣存在的誤差較大，因此可以通過Fluent軟件進行流體場分析，見圖5，得出風速結(jié)果。

當采用空氣冷卻，定子表面散熱系數(shù)依據(jù)牛頓散熱定律，可得

(5)

式中，α—散熱系數(shù)與v為流速。

定子和轉(zhuǎn)子之間軸向和旋轉(zhuǎn)氣流，轉(zhuǎn)子表面散熱系數(shù)。

(6)

式中，α—散熱系數(shù)；N—Nusselt數(shù)；λ—空氣導熱系數(shù)。

雷諾數(shù)為

(7)

(8)

式中，νR—轉(zhuǎn)子圓周速度；νa—軸向氣流速；δE—等效直徑, 大小為2δ；ν—空氣的運動粘度。

最后依據(jù)等效熱路圖，圖6為轉(zhuǎn)子等效熱路圖，1、2分別表示護套、永磁體的損耗、θ為部件溫度，R為熱阻，然后列出定、轉(zhuǎn)子的熱平衡方程，最后計算出熱阻，通過Matlab軟件得出電機各部分溫度值。分析一臺24槽的永磁電機溫升結(jié)果，定子鐵心溫度為74℃；轉(zhuǎn)子永磁鐵的溫度為 98.3℃；護套的溫度為98.6℃，結(jié)果表明熱路法與流體場結(jié)合計算的溫升結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)誤差在5%左右。

圖6 轉(zhuǎn)子等效熱路圖

4 結(jié)語

本文介紹了永磁同步牽引電機結(jié)構(gòu)特點，并在傳統(tǒng)等效熱路法方面進行改進，采用流體場與等效熱路法相結(jié)合方式，通過Fluent軟件和Matlab軟件進行計算，使計算結(jié)果更加科學、可靠和方便。