采用强迫风冷的压缩机用永磁电机三维温度场分析

理论与设计采用强迫风冷的压缩机用永磁电机三维温度场分析
高俊1孙晓明2王谨1于占洋1
1沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心（110870)
2沈阳鼓风机集团通风装备科技有限公司（211169 )
Analysis on Three-dimensional Temperature Field
of the PM Motor by Forced Air Cooling Used in Compressors
GAO Jun' SUNXiaoming2WANG Jin' YU Zhanyang1
1Shenyang University of Technology,National Engineering Research Center for REPM Electrical Machines
2 Shenyang Blower Group Ventilation Equipment Technology Co.,Ltd.
摘要：对一台采用强迫风冷的压缩机用内置式永 磁同步电机的三维温度场进行建模和分析。

首先，根据 永磁电机的设计参数，对气隙导热系数进行了等效计算；在此基础上，根据散热风扇的流量计算出永磁电机 机壳表面的风流速.进而得到不间型号风扇作用下电机 机壳边界处的散热系数。

最后，基于有限元仿真对电机 的三维温度场进行了计算，对不同风速冷却下电机的温 度场分布情况进行了分析。

关键词：强迫风冷压缩机用永磁同步电机三维温度场有限元仿真
中图分类号：T M351文献标识码：A
DOI 编码：10.3969/j.issn.l006-2807.2020.06.004
Abstract: Taking an interior permanent magnet syn­chronous motor by forced air cooling used in compressors as researched subject, model o f the three-dimensional temperature field is established and analyzed. First, co-ef­ficiency of thermal conductivity of the air gap is calculated equivalently in accordance with design parameters of the PM Motor. And then, based above foundation, wind veloci­ty over the motor housing surface is calculated according to flow volume of the cooling fan, so as to achieve the different co-efficiency of heat dissipation at boundary of motor hous­ing corresponding to operation of the different models of the fan. Finally, the three-dimensional temperature field of the motor is calculated based on finite element simulation, the temperature field distribution of the motor is analyzed.
Keywords: forced air cooling PMSM used in com­pressors three-dimensional temperature field finite ele­ment simulation
随着对永磁材料和永磁电机的不断研究和开发，调速永磁电机被越来越广泛地应用于空气 压缩机中。

且随着人们对电机功率的要求越来越 高，对冷却系统的要求也在提高，所以更加需要 对空气压缩机用永磁电机的温度场进行研究。

文献[1]通过有限元时空策略对永磁电机的 铁耗进行了分析计算，并利用插值法分析得出了 损耗误差与离散密度的关系；文献[2卜文献[6]研 究了降低电机谐波损耗的新转子结构，达到了降 低电机铁耗的目的。

文献[7]提出了用磁密波形法 和磁密轨迹法来计算铁耗。

文献[8]对导体内的 涡流损耗做了大量的研究。

文献[9]分析了磁密波 形在电机铁心中的变化规律，使得铁心损耗的计 算更为准确。

文献[10]研究了设计电机定子结构 与计算电机定子损耗之间的联系。

文献[11]对比 研究了高速永磁电机与普通电机在材料、机械损 耗及磁场等方面的不同，并通过周密的分析计算 及实验，研究了高速永磁电机温升和损耗之间的 相互联系。

以上文献中介绍了损耗的优化方法，但并未考虑电机冷却结构和冷却方式对电机温 升的影响。

在已有的研究基础上，设计了一台22 kW、3 000 r/m in的压缩机用内置式永磁同步电机，电 机采用强迫风冷方式中的自风扇冷却，即电机的
《电机技本》2020年第6期• 15.
理论与设计
轴伸端直接连接风扇。

然后建立起电机的三维 温度场仿真计算模型，分析不同风速下电机的三 维温度场分布，总结出一些有价值的规律。

1 三维模型建立
l .i 电机主要设计参数
本文所设计的22 kW 压缩机用内置式永磁同
步电机采用机壳强迫通风冷却方式，电机的主要 参数见表1。

表i
电机主要参数
参数名称数值参数名称数值定子外径/mm 260绝缘等效厚/mm 1.21定子内径/mm 170绕组端部长/mm 71轴向长度/mm 110端盖厚度/mm 5转子外径/mm 168第二气隙长/mm 0.2转子内径/mm 60散热筋/mm 20X 2.9气隙高度/mm 1槽满率77.1%永磁体宽度/mm 18极数6永磁体厚度/mm
5.5
槽数
54
1.2基本假设与求解区域的确定
本文所设计的压缩机电机为机壳风冷结构， 电机大部分的热量是通过风从机壳散去；转轴 和端盖为导热介质，非热源。

所以为了提高汁算 速度，将电机模型作如下简化：
(1) 将轴和端盖部分简化成圆柱和圆盘；
(2) 去除紧固螺钉、垫圈、固定键和加强筋；(3) 电机绕组端部与直线部分作等同处理；
(4) 认为机壳散热筋的尺寸和形状完全相 同，且沿着圆周方向均匀分布；(5) 为了缩短计算时间，采用1/6模型进行仿 真计算。

简化建模后电机的三维模型图，如图1所示。

图1
电机三维整机模型
1.3求解域及边界条件的确定
本文根据传热学理论，对内置式压缩机用永 磁电机温度场进行了数值丨十算研究，在直角坐标 系下，电机内的三维稳态、有内热源导热微分方 程可以表示为[|2]:
5j c \ dx
8T
石=0
.悬丨8T \
y ~d^l
(1)
dT
.-X—=a(T-Tf)
on
式中•. A x ，A y ，A z —分别为x 、y 和z 方向的导热系数;
q \ 热源密度；
电机对流散热系数；
Ti --电机周围流体的温度。

根据变分原理，得到等价变分方程：
J (T )-
义y .8T \i
0y / "
dT \
dV -\TqvdV+-^\s (^^rfH ci^m in
(2)
对式（2)进行离散化处理，得到三维温度场 有限元方程：
KT=F
(3)
式中：r —求解域内全部节点温度阵列；
K , F —总体系数矩阵和总体右端矢量。

1.4材料导热系数及散热系数的确定
1.4.1导热系数电机采用F 级绝缘，绝缘部分导热系数为
/If ^O A W M n v l O c 由于转子是运动的，所以气
隙内空气对定转子的热交换能力要强于其它位
置，为了考虑转子运动对散热的影响，引入有效
导热系数A eff，用气隙中不动流体描述运动空气 的热交换能力，即单位时间内静止流体在定、 转子之N 所传递的热量和流动空气所传递的热 量相等，这样可把旋转的转子视为静止不动处 理[13]。

假设定子内表面和转子外表面为光滑圆柱 面，则气隙屮的雷诺数可表示为[14]:
n ^\S
(4)
• 16. 2020年第6期《电f l l K 本
》
式中：《--转子的转速r/min;
«4>i---转子的圆周速度m/s(/ifZ T i/v^O,其中r。

为转子的外径m);
<5—气隙的长度m(<5=凡-r。

，其中&为定 子的内径m;t;为空气的运动粘度m2/S)。

临界雷诺数的表达式为：
Recl=A\.2^RJS(5)
(a)当/?e</?ecr，气隙内为层流，Aeff=Aair;
(b)当办>办…，气隙内为紊流，此时：
/leff=0.00 1 9.//-2.9084./?e0.46l41n(3.33361.n)(6)式中：>7=/*0//?i。

经计算，得到心=3 958, /?e cr=380,为情况
(b),根据式（6)计算得到等效导热系数A e f f=
0.078 W/(m.K)0
表2为内置式永磁同步电机电机温度场计算 所采用的相关物理参数，认为各部分材料的导热 系数恒定不变，即不随温度发生改变。

表2电机各部分材料的导热系数
材料名称导热系数/[WMnvK)]
密度/比热容/ X向y向z向(kg/m3)(J/kg-K)
轴4545457 800871转子铁心3939397 800871
定子铁心3939 4.437 800502.4
永磁体9997 400440
线圈绝缘0.260.260.262001 500端盖3939397 800871
槽楔0.20.20.2 2 1001 500定子线圈3853853858 900383
1.4.2散热系数
机壳表面散热系数为：
a=9.73+F°62(7)其中：散热片之间的风速。

根据式（7)计算出不同风速下的散热系数，如表3所示。

由表3可知，散热筋间的风速对于机壳表面的 散热系数的计算尤为关键。

风路计算的三个基本 参数为压力、风阻和流量，与电路中的电压、电阻 和电流是相对应的。

本文选择G系列变频凋速电 机通用通风机型号的风扇，以其中G-160型号的
理论与设计
表3不同风速下的散热系数
风速
/(m/s)
散热系数
/[(W/m2-K)]
风速
/(m/s)
散热系数
/(W/m2-K) 231.25860.55
337.40964.40
442.801068.09
547.711275.08
652.251481.63
756.51
风机为例，其风压为50 p a,转速为1400 r/m in,风量0=0.305 5 m3/s;求得永磁电机散热筋的通 风截面积J近似为0.026 5 m2。

机壳表面风速为：
v=Q/A(8)
将风量和散热筋通风截面积的值代入式（8)，得到理想情况下的机壳表面风速v= 11.5m/s〇
2 电机热源分布
电机在运行时要进行能量转换，在此过程中 就会产生损耗，这些损耗中的一部分以热量的形 式由冷却介质带走，剩下的损耗则使电机的各零 部件发热。

损耗产生于电机的不同位置，大小也 不一样，这样电机内部热源的分布就不均匀，使 热量在电机内部传递。

电机内的损耗一般可以分为绕组损耗、铁心 损耗、机械损耗、杂散损耗和附加损耗。

表4为 22 kW内置式永磁电机采用机壳风冷的损耗计算 值〇
表4 22 kW内置式永磁电机采用机壳风冷的损耗汁算值
电流定子铁损耗铜损耗机械损耗杂散损耗
/A/W/W/W/W
41.19526.37324.49242220
i十算中的杂散损耗和定子齿部及轭部的铁 损耗分配，杂散损耗按照2:1分配给定子和转子 部分，齿部和轭部按照4:6的比例分配。

表5给出 了考虑杂散损耗和齿部及轭部损耗分配后的丨十
《电机技本》〉2020年第6期• 17.
(3)^=1.25理论与设计
表5 22 kW 内置式永磁电机采用机壳风冷的生热率
定子齿部损耗
定子轭部损耗铜损耗永磁体损耗值/W 269.35404.02324.4973.3体积/X
I 0-5 (m 3)
6.760 220.330 4 6.095 4 2.758 8生热率/X l 〇5(W /m 3)
3.993
2.589
5.324
2.657
算结果。

由于需要考虑奸=1.25倍的服务系数，电机 的工作负载为额定负载的1.25倍。

默认电机的定 子铁心以及永磁体上的损耗恒定不变，只是铜损 耗增大为原来的1.562 5倍，因此考虑服务系数后 的电机生热率，如表6所示。

表6 22 kW 内置式永磁电机采用机壳风冷的生热率（考虑服务系数）
(b )5F =1.0
图3
整机温度场分布图K =3m/s
(b )SF =1.0
图4
整机温度场分布图F =4m/s
(a )5F =1.25
(b )5F =1.0
图5
整机温度场分布图K =5m/s
定子
齿部损耗
定子
轭部损耗铜损耗永磁体损耗值/W 269.35404.02506.373.3体积/X I 0-5 (m 3) 6.760 220.330 4 6.095 4 2.758 8生热率/X 105(W /m 3)
3.993
2.589
8.319
2.657
3 电机温度场计算
不同风速及不同服务系数下的内置式压缩 机用永磁电机整机温度场分布情况，如图2〜图10 所示。

(a )5F =1.25
&- M a a d y B ata T ham al
(b )SF =1.0
图2
整机温度场分布图K =2m/s
•18. 2020年第6期《电机技术
》
理论与设计
(a)5F=1.25
(b)5F=1.0
图6整机温度场分布图K=6m/s
(a)5F=1.25
(b)5F=1.0
图9整机温度场分布图^9m/s
(b)5F=1.0
图7整机温度场分布图P=7m/s
(b)SF=1.0
图8整机温度场分布图K=8m/s
(b)5F=1.0
图10整机温度场分布图r=10m/s
表7给出了考虑电机的服务系数后，SF=1.25 时，22 kW永磁电机在不同风速下的温度最大值 以及绕组端部、永磁体和定子铁心的温度最大值。

由表7可知，在不同风速下，最大温度值均出 现在绕组端部，且随着风速的不断增大，机壳散 热系数也不断增大，电机的各部分最大温度值降 低缓慢。

表8给出了永磁电机工作在额定点， 1.0 时，22 kW永磁电机在不同风速下的温度最大值 以及绕组端部、永磁体和定子铁心的温度最大值。

由表8可知，当风速小于5 m/s时，电机的最大 温度值出现在绕组端部，随着风速不断增加，最 大温度值出现在永磁体上。

这主要是因为永磁体
《电机技术》2020年第6期
.19.
理论与设计
表7永磁电机各部分最大温度值（S f=1.25)风速温度最大值绕组端部永磁体定子铁心/(m/s)/(•C)/CC)/CC)i c e) 2101.03101.0392.9195.85
395.0495.0488.1389.86
490.9690.9684.9285.78
587.9387.9382.5582.75
685.5585.5580.6980.37
783.6083.6079.1978.42
881.9681.9678.8677.38
980.5680.5677.9376.78
1079.3479.3475.9374.16
位于转子铁心内部，散热能力差，机壳表面散热 系数的改变对永磁体的温度抑制作用影响较小。

而绕组位于定子铁心中，直接和机壳相连接，绕 组上产生的热量可以有效地通过机壳传递到外 部。

因此，随着机壳散热系数的增加会出现永磁体的最大温升值大于绕组端部的温升值的情 况。

表8永磁电机各部分最大温度值（SF=1.0)
风速/(m/s)温度最大值
/CC)
绕组端部
/CC)
永磁体
/CC)
定子铁心
/(°C>
288.0988.0985.7184.83
382.9082.9081.5779.64
479.3779.3778.7976.11
576.7476.7476.7373.49
675.1374.6775.1371.42
773.8272.9973.8269.74
872.7371.5772.7368.32
971.8070.3671.8067.10
1071.0069.3071.0066.05
4 结语
本文设计了一台22 kW、3 000 r/m in的内置 式压缩机用永磁同步电机，并对电机进行了三维 温度场分析计算，得到以下结论：当电机工作在 额定点（57&1.0)，且风速小于5 m/s时，电机的最大温度值出现在绕组端部，随着风速的不断增 加，最大温度值开始出现在永磁体上；考虑电机 的服务系数后（5/^=1.25)，在不同风速下，最大 温度值均出现在绕组端部，且随着风速的不断增 大，机壳散热系数不断增大，电机的各部分最大 温度值降低缓慢。

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(收稿日期：2020-10-13)
作者简介：高俊，男，1984年生，工程师，研究方向为永磁电机及其结构工艺。

•20. 2020年第6期《电机技术》。