低速大转矩永磁电机的转子散热问题

低速大转矩永磁电机的转子散热问题陈丽香;解志霖;王雪斌【摘要】In this paper,the temperature rise was calculated by finite element method with a low speed and high torque permanent magnet motor,and the accuracy of the calculation method was verified by the experiment.The temperature rise of the motor was low,so the design was improved,the length of the iron core was shortened,the torque density was increased,and the material was saved.But in the improved motor,the high temperature of the rotor and permanent magnet(PM)can lead to PM demagnetization.Therefore,this paper has carried out the researching on this problem,the theoretical analysis and the calculation of fluid solid coupling method were used to solve the problem that the heating of the rotor of the improved motor.Firstly,the factors that affect the intensity of convective heat transfer were analyzed,and then the heating problem was solved by the installation of cooling wind thorn and rotor axial/radial ventilation duct.The heat dissipation effect of PM with different size of wind thorn was studied.The heat dissipation effect and temperature rise distribution of PM with the rotor axial/radial ventilation duct was studied.The accuracy of the research and the validity of the method were verified by the experiment.The research on the heat dissipation problem of the rotor has a certain guiding role for the design of the low speed and high torque permanent magnet motor%对一台低速大转矩永磁电机进行有限元温升计算,并在保证电机性能参数基本不变的情况下对电机进行改进设计,缩短了铁心长度,提高了转矩密度,节省了材料.但改进后电机的转子和永磁体温度过高,易使永磁体退磁.结合fluent流固耦合计算方法,首先理论分析影响对流换热强弱的因素,然后研究加装散热风刺的不同尺寸对永磁体散热效果的影响规律,以及开设转子轴向、径向通风道对永磁体散热效果和温升分布的影响.最后进行样机试验,与理论分析结果进行对比,验证了所提转子散热方法的有效性及计算的准确性.该方法对低速大扭矩永磁电机的设计有借鉴意义.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2017(032)007【总页数】9页(P40-48)【关键词】低速大转矩;永磁电机;转子散热;流固耦合;风刺;通风道【作者】陈丽香;解志霖;王雪斌【作者单位】沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心沈阳 110870;沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心沈阳 110870;中航工业贵阳万江航空机电有限公司贵阳 550018【正文语种】中文【中图分类】TM315电机在传统水冷或者自然风冷的冷却方式下，定子产生的热量更容易被冷却介质带走，转子和永磁体由于处在电机内部，散热远比定子困难。

高性价比的钕铁硼永磁材料在永磁电机中应用广泛，其优点是具有极高的磁能积、矫顽力和良好的机械特性，性价比高；缺点是居里温度点低、温度特性差[1]。

在变频器供电的永磁同步电机中，由于谐波含量大，钕铁硼永磁体(Permanent Magnet,PM)电导率高，将会产生较大的永磁体涡流损耗，并使永磁体温升过高进而导致其失磁[2，3]。

因此解决永磁电机转子温升过高问题成为近年来的研究热点。

文献[4]对不同冷却结构的微型电动车用感应电机三维稳态温度场进行分析，得出电机温升达到稳定后转子区域温升最高，流体介质对电机定子部件温升影响较大、对转子部件影响较小的结论。

文献[5]对一台内外循环双风路冷却永磁电机进行了三维全域流固耦合计算，重点研究了转子径向通风沟数量与位置对转子内温度分布及空气运动的影响，结果表明在转子上开轴径向通风沟能够有效降低转子温度。

文献[6-9]分别对永磁体涡流损耗进行了分析计算，指出永磁体涡流损耗是导致电机转子发热的主要原因。

文献[10]基于一台1.12 MW大功率永磁电机的三种风冷加水冷散热方案，采用流固耦合的方法对三种方案的温度分布进行比较，发现电机的最高温升均出现在转子。

文献[11]利用热网络法分析了外转子和内转子轴向永磁同步电机的温度分布，发现内转子轴向励磁永磁同步电机功率为3.5～5 kW时适合采用风冷结构，而外转子轴向励磁永磁同步电机功率约为7.5 kW时适合采用风冷结构。

文献[12]对一台水冷低速永磁电机在考虑永磁体涡流损耗和各部件装配间隙的前提下进行了温度场计算。

文献[13]对一台大型空冷发电机转子在相同的计算条件、网格划分前提下，研究了Standard k-ε模型、Realizable k-ε模型和RNG k-ε模型对转子三维流场和温度场的影响，结果表明Realizable k-ε模型计算出的温度结果更接近实际情况。

综上可见，在电机中，转子的散热途径最单一，因此散热最困难，永磁体在交变磁场中产生的涡流损耗会加剧转子的发热导致钕铁硼永磁体失磁。

通过对电机采取强迫风冷、增加径向通风沟等措施可以有效降低转子温升。

但上述研究大都针对高速电机，针对低速大转矩永磁电机转子过热问题的研究很少。

本文将采用理论分析和有限元计算的方法对一台160 kW、90 r/min的低速大转矩永磁电机进行流体场与温度场的研究，并解决其转子温升过高的问题。

1.1 样机温度场计算电机主要参数为：定、转子铁心长度为780 mm，定子内、外径分别为647 mm、860 mm，气隙长度为3 mm。

样机如图1所示。

电机采用机壳周向水冷的冷却方式。

首先建立电机的三维模型，对模型进行剖分后加载边界条件，导入到fluent中进行温升计算。

电机的温度场计算结果如图2所示。

在冷却水流量为780 L/h(折合水速为0.25 m/s)进行额定负载试验，测出电机绕组温升，表1列出了电机绕组温升的计算值与试验值对比，通过误差分析可以验证计算方法的准确性。

1.2 电机方案改进由电机的温度场计算和试验结果可知，电机的温升不高，在保证电机性能参数基本不变的情况下，对电机进行了改进设计，改进后的电机轴向长度缩短130 mm，大幅提升了电机转矩密度[14]。

在冷却系统以及其他冷却条件不变的情况下，对改进方案进行温度场计算，表2为改进方案各部分与原方案各部分温升计算结果对比。

由表2可知，改进方案的永磁体温升为120 K，应采取措施降低永磁体温升。

永磁体散热途径少、散热困难，加强电机转子与空气的对流传热能力是解决永磁体温升过高的有效方式之一。

2.1 对流换热的数学描述在实际工程问题中通常采用牛顿冷却定律计算对流换热，其表达式为或式中，φ为单位时间内通过面积A的对流热量；Tw为固体表面温度；Tf为流体平均温度；A为传热表面积；q为对流换热热流密度；α为对流换热系数。

可见，影响对流换热强弱的因素也就是影响对流换热系数α大小的参数。

粘性流体流经固体表面时，仅靠表面存在一层厚度仅有几个分子层厚的静止层。

在对流换热中，热量必须穿过静止层而进入壁面。

该静止层一直处于层流流动，厚度可以表示为[15]式中，δ为坐标x处热边界层的厚度；v为流体的运动粘度；μ为流体的速度。

在静止的热边界层中，热传递只有热传导这一种方式，所以x点处单位时间对流换热量应等于该点单位时间内通过的热流量，即从而可得式中，λ为流体的导热系数。

式(4)反映了对流换热系数的本质，即决定于流体在壁面上的温度梯度和流体的导热系数。

对流换热系数α是以下各变量的函数式中，η、cp、ρ、γ、a分别为动力粘度、质量定压热容、密度、体膨胀系数、扩散率；L、β分别为系统的特征尺寸和形状。

由式(4)～式(6)可知，对流换热的强弱与对流换热系数的大小呈正相关。

考虑影响对流换热系数α的因素和所研究电机实际情况，通过在转子两端增加散热风刺增大端腔空气的流动速度，从而增大对流换热系数α，并在转子铁心开设通风道增强对流换热效果，降低永磁体温升。

2.2 电机模型的建立20个散热风刺在转子端部周向均匀分布，与转子具有同步转速。

通过SolidWorks建立风刺宽度为50 mm，长度分别为20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm的电机模型，以及风刺长度为50 mm，宽度分别为20 mm、40 mm、60 mm、80 mm、100 mm的电机模型用于流固耦合计算。

2.3 模型的导入以及网格的划分电机模型过大，且轴向具有对称性，因此只分析电机周向的1/20和轴向的1/2。

对求解域进行网格剖分，如图3所示。

2.4 模型的仿真计算湍流模型选择准确性较高的realizable k-ε模型[16-18]。

电机内部流体场与温度场计算的边界条件为：1)与空气相接触的各个表面均设为无滑移边界条件。

2)将转子内的各个部件设为旋转壁面边界条件。

3)转子内流场属于旋转流场，采用多重参考坐标系模型(MRF模型)模拟，气隙及定子内流体作为静止部分模拟。

4)电机内温度场计算采用速度入口和自由出口边界条件。