永磁同步电机三维全域温度场与温度应力耦合研究

丁树业　朱敏　江欣

摘 要：永磁同步电机通常采用变频驱动方式，使得电机磁场内谐波含量增多，损耗趋于增大并导致发热与形变加重。为研究其变频驱动下温升分布特性及温度应力的作用，以一台50 kW永磁同步电机为对象，建立了包含复杂散热结构的三维全域温度场及温度应力共同求解模型，采用有限元法对其进行耦合计算与研究，着重分析了稳态运行时电机主要部位的温升与形变分布情况。通过搭建实验平台，将实测温升与计算结果相对比，验证了温度场计算方法及结果的准确性，并确保温度应力场载荷加载正确。结果表明：永磁同步电机的最高温升出现在转子铁心处；电机各部位形变大小不仅受温升作用，还受自身结构以及施加约束等因素影响。该研究为电机设计及性能优化、故障预测提供一定参考。

关键词：永磁同步电机；温度场；温度应力；有限元法；变频驱动

中图分类号：TM 341

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2018）01-0053-08

0 引 言

永磁同步电机通过永磁体代替电励磁，不但有效地提高了效率，而且简化电机结构，使运行更为可靠，因而广泛地应用于生产及生活中[1]。实际运行时，永磁同步电机通常采用变频驱动方式，电机磁场内谐波含量增多，使损耗增大并导致温升进一步提高。考虑到过高的温升可能导致永磁体发生不可逆退磁，并使电机一些部位因温度应力而产生较大的形变，从而影响电机的稳定运行及使用寿命，因此对永磁同步电机温度场与温度应力进行研究分析具有一定理论意义和实际价值。

目前，国内外学者已对电机温度场及温度应力进行了多方面研究。通过采用有限体积元法、有限元法对电机二维[2]与三维温度场[3]及相关敏感性因素对温度场的影响进行了计算分析；通过流热耦合计算与分析来研究电机内部件的温升及其分布[4-6]；同时，借助有限元法对电机转子的温度应力场进行研究，通过计算应力值对可能发生故障的部位进行预判[7-8]。综上所述，已有文献的研究集中在大型电机局部温度场方面，求解模型多以一个齿或槽为主，而中小型电机三维全域温度场的研究较少，特别是包含复杂散热结构的模型，而直接耦合温度应力的完整性分析更鲜有报道。

本文以一台50 kW双轴伸永磁同步电机为研究对象。通过有限元法对其变频驱动下额定运行时的稳态温度场及温度应力进行耦合数值计算。同时，采用同一求解模型与网格剖分单元，以提高耦合计算精度。基于上述方法，本文着重分析了电机主要部位的温升分布特性，以及温度应力作用下相应部位的形变情况。通过搭建温升实验测试平台，将采集数据与仿真结果相对比，验证了温度场计算方法及结果的准确性，并确保温度应力场载荷加载正确。

1 电机结构及基本参数

本文以一台50 kW、表贴式永磁同步电机为研究对象：电机为双轴伸转轴结构；定子斜槽并斜一个定子齿距；转子与转轴间的铁辐不仅在结构上起到支撑作用，同时还兼顾起到动平衡及自励性风扇作用；电机冷却方式为外部强迫通风，通过背包风机将冷却气体通入风罩内进而流经散热翅进行冷却。电机结构如图1所示，基本参数见表1。

同时，考虑到齿部温升明显高于轭部，选取定子铁心最高温升所在齿作进一步分析。图6为定子齿顶、齿中及齿根沿轴向的温升变化曲线，以齿部近风端为起始至远风端终止。可以看出，3个位置沿轴向的温升分布趋势趋于一致。受通风位置决定及接线盒风阻作用影响，定子齿部温升呈先升高后降低趋势，最高温升在轴向长度200 mm附近，且远风端温升明显高于近风端处。

图7为绕组温升分布，其最高温升为71.71 K，出现在远风端绕组鼻端处，并且温升沿轴向呈两端高中间低趋势。这是由于绕组中部靠近定子铁心，而端部置于电机端腔中，铁心的导热能力远高于端腔内空气，因而形成这一分布特性。

为进一步分析，选取温升最高的绕组，对其直线段下层侧及同一槽内上层绕组沿轴向的温升变化进行研究，以直线段近风端处起始至远风端终止；同时选取所有绕组轴向中间处截面，对其周向的温升变化进行分析，以顶部为起始点顺时针方向旋转。两者分别如图8及图9所示，由分析可知：

1）同一槽内上下层绕组沿轴向的温升变化趋于一致，呈先降低后升高趋势，并且远风端处温升高于近风端处；同时，下层绕组由于靠近铁心，易于热传导，因而其温升始終低于上层绕组。

2）绕组周向的温升变化趋势呈左右对称；顶部绕组由于受接线盒的风阻作用，散热能力较差，温升最高；与之相对应，周向弧度为π的底部绕组由于机壳底部空气流通顺畅，散热能力强，因而温升最低；同时，由顶部到周向0.5π温升呈下降趋势，受机座及拉筋的风阻影响，温升转而升高，当到周向0.75π时温升又开始下降直至最低。

3.3 转子部分温度场分析

图10为转子部分温升分布，由图可知，除铁辐两端边缘受自身起到的自励性风扇作用和扰动电机内空气由于散热能力增强使温升较低外，转子部分温升普遍偏高；并且各部分温升值相差不大，特别是径向方向几乎没有温升梯度变化。转子部分温升分布呈中间高两端低趋势，最高温升出现在转子铁心轴向中部偏远风端处，为95.69 K；同时，永磁体最高温升为95.63 K，与转子铁心最高温升相差无几，两者温升分布趋于相同。

3.4 实验测试及数据对比分析

为验证温度场研究方法的正确性及计算的准确性，通过搭建实验测试平台进行数据采集并与计算结果对比分析，实验测试平台如图11所示。

本文采用在定子绕组及其槽内埋设PT100温度传感器的方法测量永磁同步电机额定运行时典型位置的稳态温升。温度传感器周向及轴向的埋设位置如图12及图13圆点处所示，对所在槽进行数字编号，轴向位置用字母表示。如编号为“1-B”的温度传感器表示在1号槽内轴向位置在B处，以此类推。

表4给出了经有限元法计算的温升结果与实验测量温升数据，通过对比分析可知，两者数值基本吻合，最大误差为5.57%，满足工程实际需求，进而验证了计算方法与结果的正确性。

4 温度应力数值计算及分析

电机由于受变温作用影响产生温度应力，进而发生形变[14]。本文重点分析电机各部位形变情况，温度应力场以温度场热源为载荷，采用同一物理模型及剖分单元进行直接耦合计算，以提高求解精度。

5 结 论

本文通过采用有限元法，对一台50 kW双轴伸永磁同步电机变频驱动时的三维全域温度场与温度应力进行了直接耦合计算与分析，得到电机主要部位的温升分布特性及形变分布情况。其中，通过搭建温升实验测试平台验证了温度场数值计算方法及结果的准确性，并确保温度应力场载荷加载正确。研究结果表明：

1）变频驱动时电机最高温升出现在转子铁心处，为95.69 K；转子部分各结构部件温升值相近，并且明显高于定子部分；电机机壳、转子铁心及永磁体最高温升均出现在轴向中部偏远风位置；定子铁心及绕组的最高温升则出现在轴向远风端处。

2）接线盒结构和所在位置对电机的散热性能存在一定影响，由于其结构对机壳表面冷却气体具有风阻作用，降低了相应部位的散热能力，进而影响温升及应力形变的分布情况。

3）电机各部位形变大小不仅受温升作用，还受自身结构形状以及施加约束等因素影响。

4）电机内最大应力形变出现在绕组处，为0.436 mm；定转子铁心、绕组及永磁体的轴向远风端顶部为各自最大形变所在位置，这是由于此处较高的温升以及与相接触端腔空气较大温差导致的。

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（编辑：张 楠）