循油冷卻永磁同步電動機的溫度場分析
劉嬌，黃守道，成本權，徐國佑
（湖南大學，長沙410082）
摘要：該文建立了循油冷卻式電機穩態過程二維溫度場的計算數學模型，根據電磁分析確定了各部分的損耗分布，并對一臺功率為150 kw的循油冷卻永磁同步電動機內部的溫度場分布作了分析，得到了額定工況下定轉子穩態溫度場分布圖。文中還分析了氣隙溫度以及機殼冷卻油流速對電機溫度場的影響，為電機的優化設計提供有用的參考依據。
關鍵詞：循油冷卻；永磁同步電動機；溫度場
中圖分類號：tm351; tm341 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)05-0010-03
o引 言
隨著現代電機制造工業的發展，永磁電機的單機容量和功率密度不斷增大，技術經濟指標大大提高。這無疑使得電機運行時產生的單位體積損耗顯著增加，引起電機各部分溫度升高，這直接影響電機的壽命和運行的可靠性。而永磁體更是永磁電機的動力之源，永磁體的磁性能會隨著所處環境溫度的升高而下降，甚至在高溫下發生不可逆去磁，對電機性能造成嚴重影響。因此，準確計算和研究電機內溫度場，從而得到電機各部件溫度分布情況，將為電機高效、安全運行奠定堅實的基礎，也為永磁電機的設計提供重要依據和分析手段。
l 二維溫度場的數值計算
1.1溫度場數值計算模型
循油冷卻永磁同步電動機的冷卻系統中，冷卻油通過機座外殼的螺旋槽帶走定子的熱量，其余部分采用自然冷卻。考慮到沿電機的軸向熱源的分布比較均勻，且導線的導熱性好，軸向的溫度差不大，因此可以將三維溫度場問題轉化為二維溫度場問題求解分析，從而簡化計算難度和節省計算時間，并且能夠滿足工程實際要求。
本文以一臺額定功率為150 kw的循油冷卻永磁同步電動機為例，根據電機的實際結構和傳熱學理論做出如下假設：
①電機鐵心沿軸向溫度梯度為零
②考慮定子繞組銅耗時，認為渦流效應對每根股線的影響相同，即取平均值；
③忽略材料熱傳導率隨溫度的變化。
在上述假設條件下，可取軸向的中心界面作為溫度場的求解域，求解域模型如圖l所示。
對于各向同性媒質，導熱系數為常數，在直角坐標系下的二維穩態熱傳導方程為：
式中，t為溫度℃；a為材料的導熱系數w/m．k；qv為熱源密度，w／m3。定子齒頂部分通過氣隙中的空氣與轉子交換熱量，定子軛外表面通過機殼與循油冷卻永磁同步電動機的溫度場分析劉嬌，等油槽中的散熱油交換熱量，轉子部分通過空氣與定子交換熱量。根據此熱傳遞過程確定機殼與冷卻油之間以及定轉子表面與氣隙之間為對流散熱邊界，邊界條件滿足式(2)。
式中，n為機殼表面單位法向矢量；α為散熱系數，w/m．k,t1為環境溫度。由熱傳導方程和邊界條件可得電機穩態溫度場計算的數學模型為
由變分原理可知，式(3)可一寫成并變分方程
其中，d為求解區域。
當等價變分方程取極值，可知kt=f，式中，t為求解域內全部節點溫度所形成的溫度列陣；k和f分別為總體系數矩陣和總體右端列矢量。將邊界條件式(2)代人式(4)，可求得到各個節點的溫度值。
1.2定子繞組等效模型
求解過程中考慮股線的排間絕緣主要體現在股線熱密的處理上，不考慮排間絕緣時的股線面積將增加，而總損耗無變化，假設0為股線的總損耗 |
