封閉自散熱式永磁發電機溫升計算

劉亞龍，張亞鴿，張變變，成玲燕

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封閉自散熱式永磁發電機溫升計算

劉亞龍，張亞鴿，張變變，成玲燕

（中船重工電機科技股份有限公司，山西太原 030027）

永磁發電機常作為副勵磁機而存在，而現有勵磁發電機的溫升計算并不完全適用于永磁發電機，本文基于對電機的散熱分析和適當的簡化模型，運用傳熱學基本理論，對封閉自散熱式永磁發電機進行了溫升計算，并與電阻法實測值進行了對比。結果表明計算值高于實測值，差值不大于3K，且遠低于發電機的最高允許工作溫度，計算結果合理可靠，故本文提出的計算模型較為準確，可用于封閉自散熱式永磁發電機溫升的簡易計算。

永磁發電機 散熱分析 溫升計算

0 引言

該封閉自散熱式永磁發電機被用來為主發電機勵磁系統提供功率電源，安裝在主發電機非驅動端，與主發電機轉子同軸旋轉。

該永磁發電機轉子為永磁體，永磁材料選用性價比較高的釹鐵硼永磁材料。

該永磁發電機為封閉自散熱式發電機，防護等級可達到IP54及以上防護等級，以保證可靠防護。為保證發電機良好散熱，確保運行可靠，本文特針對該類發電機進行溫升計算及散熱分析。

1 溫升計算

1.1 建立模型

本文根據溫升計算要求及結構設計[1]對封閉自散熱式永磁發電機的機座進行了簡化處理，并建立了圖1所示的溫升計算模型。

經過分析，發電機產生的熱量自發熱源散熱至機座外部環境的全過程中，可以忽略機座壁面自身的導熱熱阻，故熱阻主要集中在兩個部位：一是機座外壁與外部環境間的自然對流換熱熱阻1，記對應溫度降為1；二是機座內壁面與發電機內部封閉空氣間的對流換熱熱阻2，記對應溫度降為2，具體詳見圖1。

圖1 溫升計算模型

本文涉及的模型中，永磁發電機允許的最高工作溫度為150 ℃，額定工況下發熱量Q為75 W。

1.2 計算溫度降Δt1

為有效改善發電機散熱效果，在機座內外圓壁面上散布著散熱肋片，因此該部分對流換熱主要包括肋片與環境間的對流換熱及機座外圓壁面與環境間的對流換熱，即

式中：Q1—肋片實際總換熱量；Q1—外圓壁面換熱量。

經查相關資料：機座材料導熱系數=50 W/(m?°C)[2]，發熱表面在平靜空氣中的散熱系數0=14.2 W/(m2?°C)。

1.2.1肋片實際總換熱量Q1

機座外表面布置矩形散熱肋片，肋高=25 mm，肋厚=4 mm，肋長1=215 mm，肋片數量1=26。

此次天然氣外輸管線的清管過程分兩輪進行，第1輪使用泡沫球清管器，從集氣首站發出后，在距首站約3.6 km處發生卡堵(見圖1)，采用斷管的方式進行解卡。斷管后發現管段內積聚大量黑粉，并結成硬塊(見圖2(a)、圖3(a)和圖3(b))，造成通球卡堵，圖2(b)為清管器前端堆積的黑粉。

假設肋片為一維穩態導熱，且輻射影響已折算在0中，則

式中：L—計算肋高；n—肋片效率；0—單肋片理想換熱量。根據相關換熱計算公式及假設條件，有：

其中：A為肋片縱截面積；

將、、、0等各參數值代入，計算得到：

通過查專業文獻資料“矩形直肋效率”表，得n=0.92。

1.2.2外圓壁面換熱量Q1

根據對流換熱相關計算公式[2]，有

其中：

綜合上述分析，將各參數值分別代入（1）至（8）式，并令Q1=Q=75 W，計算得到：

1.3 計算溫度降Δt2

機座內表面布置矩形散熱肋，肋高=10 mm，肋厚=20 mm。

參照上述計算方法，將相關參數值帶入相關公式，得到：

通過查專業文獻資料“矩形直肋效率”表，得n=0。故可以忽略機座內壁散熱筋。則

式中：2=235 mm，指機座內壁長度。

將各參數值代入（1）至（8）式，并令Q2=Q=75 W，計算得到：

1.4 計算結果及分析

將前述各溫升合計并計算管芯總溫升有：

1.5 溫升計算值與實測值對比

利用上述模型對3型生產應用中的永磁發電機進行了溫升計算，并對計算值與電阻法實測值進行了對比分析，詳見表1。

表1 溫升計算值與實測值對比

通過表1的對比，可以得到：利用該模型計算得到的數值偏高于電阻法實測值，且誤差控制在3 K以內，可見本文利用該模型得到的計算值準確。故本文建立的模型與采用的計算方法合理，完全可以用于封閉自散熱式永磁發電機溫升的簡易計算。

2 結論

本文基于對電機的散熱分析和模型簡化，運用傳熱基本理論，對封閉自散熱式永磁發電機進行了溫升計算，并將計算值與電阻法實測值進行了對比，得到如下結論：利用本文模型計算得到的溫升值合理可靠，因此該模型可用于封閉自散熱式永磁發電機溫升的簡易計算。

[1] E·維德曼, W 克倫貝格爾. 電機結構[M]. 北京: 機械工業出版社, 1976．

[2] 俞左平. 傳熱學[M]. 北京: 高等教育出版社, 1979: 105-120.

Temperature Rise Calculation of Closed Self-Dissipation Permanent-Magnet Generator

Liu Yalong, Zhang Yage, Zhang Bianbian, Cheng Lingyan

（CSIC Electrical Machinery Science and Technology CO., Ltd, Taiyuan030027, Shanxi, China）

TM313

A

1003-4862（2019）05-0034-02

2019-01-07

張亞鴿(1982-)，女，工程師。研究方向：電機設計。E-mail: a03587363067@163.com