永磁同步电机三维全域温度场分析

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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11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 Fieldof the PM Motor by Forced Air Cooling Used in CompressorsGAO Jun' SUNXiaoming2WANG Jin' YU Zhanyang11Shenyang University of Technology,National Engineering Research Center for REPM Electrical Machines2 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：ADOI 编码：10.3969/j.issn.l006-2807.2020.06.004Abstract: 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。

车用永磁同步电机三维温度场分析

车用永磁同步电机三维温度场分析刘蕾刘光复刘马林朱标龙合肥工业大学,合肥,230000摘要:为了研究车用永磁同步电机的温度场,以一台额定功率为25k W 的车用永磁同步电机为研究对象,基于传热学基本理论,建立其三维求解域模型,通过仿真分析,得出了电机额定工况下的温度场及温升变化,并对连续变功率工况下的电机内关键部分的温升进行仿真分析,以研究车辆实际行驶时电机温度场的变化情况㊂通过搭建的实验平台,对电机工作在额定工况和连续变工况条件下的温升进行了测试㊂经对比分析,实验数据与仿真数据误差较小,验证了仿真的正确性㊂关键词:永磁同步电机;温度场;额定工况;变功率中图分类号:TM 351 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.11.004A n a l y s i s o nT h r e e ‐d i m e n s i o n a l T e m p e r a t u r eF i e l do f P e r m a n e n tM a g n e t S yn c h r o n o u sM o t o r i nV e h i c l e s L i uL e i L i uG u a n g f u L i u M a l i n Z h uB i a o l o n gH e f e iU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,H e f e i ,230000A b s t r a c t :I no r d e r t o s t u d y t e m pe r a t u r ef i e l do fP M S M u s e d i nv e h i c l e s ,a r a t e d p o w e r o f 25k W P M S Mi nv e h i c l e sw a s t a k e na s t h e r e s e a r c ho b je c t ,a n d i t s t h r e e ‐d i m e n s i o n a l s o l u t i o nd o m a i nm o d e l w a s b u i l t b a s e do n t h eb a s i c t h e o r y of h e a t t r a n s f e r .T h em o t o r ’s s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n t e m pe r a t u r ef i e l d a n d t h e t e m p e r a t u r e r i s e c h a ng e sw e r e d e r i v e d th r o u g h si m u l a t i o n a n a l ys i s .A l s o ,t h e s i m u l a t i o n a n a l y s i s o n t e m p e r a t u r e r i s e o f t h ek e ypa r t s i nt h em o t o rw a s c a r r i e do u tu n d e r c o n t i n u o u sv a r i ab l e p o w e rw o r k i n gc o nd i t i o n s ,f o r t he s a k e of s t u d y i ng th e c h a n g e si nm o t o r t e m p e r a t u r e f i e l d u n d e r a c t u -a l d r i v i n g c o n d i t i o n so ft h ev e h i c l e .B yb u i l d i n g a ne x pe r i m e n t a l p l a tf o r m ,t h ee f f e c t i v et e s t so f m o t o r ’s t e m p e r a t u r e r i s ew e r ec a r r i e do u tu n d e rr a t e do p e r a t i ng co n d i t i o n sa n dc o n t i n u o u sv a r i a b l e w o r k i n g c o n d i t i o n s .B y c o n t r a s t a n da n a l y s i s ,e x pe r i m e n t a l d a t aa r e c l o s e t os i m u l a t i o nd a t a ,w h i c h v e r if i e s t h e a c c u r a c y of t h e s i m u l a t i o n .K e y wo r d s :p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r (P M S M );t e m p e r a t u r ef i e l d ;r a t e dc o n d i t i o n ;v a r i a b l e p o w e r收稿日期:20141217基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2013B A G 13B 00);量产小型纯电动轿车平台及产业化开发和国家新能源汽车技术创新工程项目0 引言随着电动汽车技术[1]的不断发展,电动汽车结构越来越复杂,性能越来越好,速度和安全性大幅度提升㊂为满足这些要求,必须保证电动汽车驱动系统[2‐3]的高性能㊂电机作为驱动系统的关键部件,既需要其具有功率密度高㊁启动转矩大㊁调速范围宽等条件,还要保证其具有体积小㊁质量轻㊁效率高的特点㊂与普通电机相比,车用永磁同步电机在工作过程中由于高性能要求而产生的电磁负荷和热负荷也高,而过高的热负荷直接影响电机效率㊁寿命和可靠性㊂因此,对车用永磁同步电机的温度场进行研究具有切实的实践意义和工程价值㊂近年来,国内外专家对永磁同步电机的温度场进行了大量研究㊂丁树业等[4]以一台表贴式永磁同步电机为例,计算了变频控制条件下电机内定子㊁转子及永磁体的温度场分布;张琪等[5]以永磁同步电机为例,计算了电机的铁耗㊁计及趋肤效应的交流绕组铜耗,对电机内部温度场进行了分析;程树康等[6]以微型车用风冷和水冷电机为例,通过热网络法和有限元法计算电机温度场,并对其散热结构进行了优化;N o l l a u 等[7]设计了新型的电机冷却方法,通过制冷涡流管降低电机温度㊂以上研究主要针对电机稳态工况下的温度场分布和材料特性等㊂本文以一台额定功率为25k W 的车用永磁同步电机为例,建立了电机的三维温度场求解域模型,基于流固耦合仿真方法对电机工作在额定工况及连续变功率工况下的温度场进行了仿真分析,得到了电机的温度场及其内部关键部分的温升变化㊂为了验证仿真的可靠性,本文搭建了实验平台,参照仿真工况对电机进行了实际的温升实验,并对实验数据和仿真数据进行了对比分析㊂1 电机模型确定及求解条件1.1 电机的基本参数本文以一台额定功率为25k W 的车用永磁㊃8341㊃中国机械工程第26卷第11期2015年6月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.同步电机为研究对象,电机散热采用强制水冷,电机基本参数如表1所示㊂表1 电机的基本参数额定功率(k W)峰值功率(k W)定子内径(mm)转子外径(mm)2550122120.6转子极数定子槽数线径(mm)线圈形式8480.9单层链式1.2 电机求解域模型的建立对本文所研究的车用永磁同步电机建立包含壳体㊁冷却水㊁定子㊁绕组㊁转子㊁永磁体和轴的物理模型,作为电机耦合场计算的求解域模型,如图1a所示,图1b所示为流过电机内冷却水形状㊂(a)求解域模型(b)冷却水形状图1 电机的物理模型在计算电机温度场过程中,根据传热学基本理论,在笛卡儿坐标系内,需满足的通用导热微分方程和边界条件[8]可表示为∂∂x(λx ∂T∂x)+∂∂y(λy∂T∂y)+∂∂z(λz∂T∂z)+q v=ρc∂T∂τT|S1=T W-λ(∂T∂n)S2=q0λ∂T∂n S3=-α(T-T füþýïïïïïïïï)(1)式中,λx㊁λy㊁λz为电机内各介质x㊁y㊁z方向的热导率, W/(m㊃K);T为物体的温度,K;q v为热源密度,W/m3;ρ为物体的密度,k g/m3;c为物体的质量热容,J/(k g㊃K); T W为边界温度值,K;τ为时间项,s;S1㊁S2㊁S3为物体边界;T f为流体温度,K;α为流体与壁面间的表面对流换热系数,W/(m2㊃K)㊂电机散热过程中,在冷却液的流动状态为紊流的条件下,需满足相应的三维控制方程:∂∂τ(ρϕ)+d i v(ρuϕ)=d i v(ζg r a dϕ)+Sϕ(2)式中,ϕ为通用变量;ζ为扩展系数;Sϕ为源项;u为速度矢量㊂当电机温度场达到稳态时,式(1)导热方程和式(2)控制方程中均不含时间项㊂1.3 热源的计算电机工作过程中,永磁体和三相交变电流相互作用,电机内部形成交变磁场和旋转磁场㊂变化的磁场使永磁体和硅钢片产生磁滞损耗和涡流损耗㊂电流流经铜导线发热产生铜耗㊂根据电机结构及材料参数,利用有限元法对电机的磁场进行仿真,并进一步分析计算得到电机在额定工况和峰值工况下的定子转子铁芯损耗㊁铜损耗和永磁体涡流损耗㊂铁芯损耗的计算是电机损耗计算的一个难点,本文采用B e r t t o t t i铁耗分离模型,主要包括磁滞损耗㊁涡流损耗和异常损耗,其单位质量计算公式为P=P h+P c+Pε=K h f B2+K c f2B2+Kεf1.5B1.5(3)式中,P为铁芯损耗,W;P h为磁滞损耗,W;P c为涡流损耗,W;Pε为异常损耗,W;f为交变电流频率,H z;B为磁密幅值,T;K h为磁滞损耗系数;K c为涡流损耗系数;Kε为异常损耗系数㊂电机运行时,接入三相交流电流经绕组产生的铜损耗可按下式计算:P C u=m∑(I2R)(4)式中,P C u为绕组损耗,W;m为电流相数;I为电流有效值,A;R为平均电阻值,Ω㊂永磁体涡流损耗相对较小,但其散热条件较差,较小的损耗亦会引起较高的发热量,这里根据常用的数值方法进行计算,体积为V的永磁体涡流损耗可按下式计算:P e a v=∫V J J*2σd v(5)式中,P e a v为永磁体涡流损耗,W;J为永磁体涡流密度, A/m3;J*为涡流密度的共轭,A/m3;σ为永磁体的电导率,Ω-1㊂通过计算后得到电机在额定工况下工作的主要损耗值,如表2所示,电机在峰值工况下工作的主要损耗值如表3所示㊂表2 额定工况下主要损耗值W 损耗类别定子铁耗铜耗转子铁耗永磁体损耗损耗值4834373314表3 峰值工况下主要损耗值W 损耗类别定子铁耗铜耗转子铁耗永磁体损耗损耗值10679428634 1.4 绝缘层的等效计算电机定子槽内由铜导线和多种绝缘材料(槽绝缘㊁浸滞漆㊁漆膜和槽楔)填充㊂在计算电机温度场时,由于各种绝缘材料分布不均㊁体积小,并且难以剖分,故需要将铜导线和绝缘材料合理等效㊂本文按照质量不变的原则,将铜导线和多种绝缘材料等效为两层接触的等效导热体,如图2所示㊂等效后,等效导热体的热导率[9]可按下式㊃9341㊃车用永磁同步电机三维温度场分析刘蕾刘光复刘马林等Copyright©博看网. All Rights Reserved.图2 绕组及绝缘层的等效计算:λe=∑n i=1δi∑n i=1(δi/λi)(6)式中,λe为等效导热体的热导率,W/(m㊃K);λi为各种绝缘材料的热导率,W/(m㊃K);δi为各种绝缘材料的等效厚度,m㊂1.5 定转子间气隙的等效计算电机定转子之间气隙的等效是电机温度场计算中的难点㊂仿真过程中,若定转子是相对运动的,则仿真难度大大增加㊂因此为了降低仿真的难度,在仿真过程中假定转子是静止的,这样定转子之间流动的气隙层可以等效为静止的气隙层,同时定转子之间的传热主要由对流换热转变为导热换热㊂本文引入气隙层的等效热导率λa i r,等效热导率[10]根据流体气隙的流动状态作如下处理㊂等效气隙层的雷诺数:R e=πd2g n160γ(7)式中,d2为电机转子外径,m;g为气隙厚度,m;n1为转子转速,r/m i n;γ为空气运动黏度系数,m2/s㊂气隙的临界雷诺数:R e c r=41.2d1g(8)式中,d1为定子铁芯内径,m㊂当等效气隙层的雷诺数小于临界雷诺数时,气隙流动为层流流动,可取等效热导率为空气的热导率;当等效气隙层的雷诺数大于临界雷诺数时,气隙流动为紊流流动,这里气隙的等效热导率按下式计算:λa i r=0.0019(d2d1)-2.9084R e0.4614l n(3.33361d2d1)(9) 1.6 电机壳体与定子装配间隙的等效计算电机在装配过程中,电机壳体和定子之间由于加工工艺和装配等因素,不能完全接触,这直接影响电机内部的传热,所以在求解电机温度场的过程中,必须考虑电机壳体与定子之间的装配间隙,文献[11]说明了装配间隙对电机温升的影响㊂本文将电机壳体和定子之间装配间隙等效成一层薄空气,空气的等效厚度[12]按下式计算:h a i r=10-5(0.5+3D0)(10)式中,h a i r为装配间隙等效厚度,m;D0为定子外径,m㊂2 电机温度场的仿真分析2.1 假定条件为了合理简化计算,作出以下基本假设:(1)根据车用永磁同步电机的结构和散热特性,认为在仿真过程中,热量主要被冷却水带走,电机机壳外表面与空气之间的换热可忽略;(2)电机工作中,定转子铁芯损耗均匀分布在定转子上,涡流损耗均匀分布在永磁体上,铜耗均匀分布在绕组上;(3)电机工作过程中产生的机械损耗主要分布在轴承上,在计算电机温度场时,不考虑机械损耗;(4)忽略辐射换热对电机温度场的影响;(5)忽略因电机温升引起的热导率和散热系数的变化;(6)冷却水在电机内流动过程中,速度远小于声速,即马赫数很小,在计算电机温度场时,将冷却水视为不可压缩流体㊂2.2 额定工况下电机温度场的仿真及分析2.2.1 边界条件的确定电机工作在额定工况条件下,仿真给定的边界条件如下:(1)冷却水入口为速度入口边界条件,入水口流速为0.63m/s,入水口温度为60℃;(2)冷却水出口为压力出口边界条件;(3)仿真过程中流体与固体的接触面均设为无滑移边界;(4)电机内各零件的端面散热系数参考文献[10]进行处理㊂2.2.2 额定工况下电机温度场的求解依据电机的求解域模型,利用C F X软件对电机温度场进行求解㊂将式(3)~式(7)的计算结果及相应的边界条件,输入到仿真软件中对应部分,求解电机温度场㊂当电机温度场达到稳态时,仿真结果如图3所示㊂图3a所示为电机求解域内的温度场,其中绕组区域温升明显,且其端部温升最高,端部温升为31.97℃,最高温度为91.97℃㊂图3b反映了电机内部温度梯度沿径向的变化㊂图3c所示为绕组沿轴向的温度分布,绕组端部温升高于绕组中间区域温升㊂电机绕组的散热主要是绕组与定子㊃0441㊃中国机械工程第26卷第11期2015年6月上半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.(a)电机求解域温度场云图(b)电机径向温度场云图(c)电机绕组温度分布云图图3 仿真结果槽接触的导热换热和绕组与端部空气的对流换热㊂电机工作过程中,由于其结构封闭,绕组端部与空气换热效果不佳,而定子槽能够直接接触绕组,能够带走更多热量,因此绕组沿轴向温度分布不均㊂电机绕组㊁定子㊁转子和永磁体在额定工况下温度变化曲线如图4所示,达到稳态时,绕组温度最高,永磁体温度次之,转子和定子温度相对较低㊂且通过仿真得到电机内各部分在0~20m i n内电机温度上升较快,20m i n 之后温度上升缓慢,趋于稳定的结论㊂图4 电机各部分温升曲线2.3 变功率工况下电机温度场的研究电动汽车在实际工作过程中,因驾驶需求,不会一直持续工作在额定工况下㊂本文基于与额定工况相同的车用电机求解模型,设计了两种变功率工况来对电机温度场进行研究㊂这两种变功率工况为行驶路况较差和路况较好,下文称电机主额定工况和电机主峰值工况㊂主额定工况时,即电动汽车行驶区域路况较差,电机运行的功率应有所限制㊂运行在大功率工况的时间短于运行在小功率工况的时间㊂为了研究方便,设计出简化的工况如图5所示㊂在20m i n 时间内,电机在额定功率下工作50s,在峰值功率下工作10s ,电机功率周期性循环变化㊂图5 主额定工况下电机功率变化对电机温度场进行研究的目的主要是防止电机温升过高带来绕组绝缘的损坏和永磁体的退磁,进而影响电机的效率和可靠性㊂绕组和永磁体作为电机内关键部件,其温升变化可作为电机温升的参考指标㊂因此,当电机工作在变功率工况条件下时,可以通过描述绕组和永磁体的温升变化来说明电机的温升变化㊂主额定工况下电机内绕组和永磁体温度变化如图6所示,电机绕组温度随时间波动性上升,趋于波动性平衡状态,永磁体温度在一定时间后呈波动性平衡状态,波动幅度较小㊂在20m i n 时,绕组温度达到105.3℃,永磁体温度达到89.05℃㊂图6 主额定工况下绕组和永磁体温升曲线主峰值工况时,即电动汽车行驶在路况较好的条件下,电机在大功率工况下工作时间可以延长㊂同理,设计出简化路况如图7所示㊂取电机在20m i n 工作时间内,电机在额定功率下工作㊃1441㊃车用永磁同步电机三维温度场分析刘蕾刘光复刘马林等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10s ,电机在峰值功率下工作50s ,电机功率周期性循环变化㊂经仿真计算,绕组和永磁体的温度变化如图8所示,电机绕组和永磁体在工作一定时间后,温度均趋于波动性平衡状态,绕组温升波动明显㊂在20m i n 时,绕组温度达到122.4℃,永磁体温度达到100.1℃,主峰值工况温升较主额定工况温升高㊂图7主峰值工况下电机功率变化图8 主峰值工况下绕组和永磁体温升曲线通过对车用电机工作在连续变工况条件下的仿真分析,近似模拟了电机实际工作过程中的温度变化㊂3 实验验证与仿真计算的对比分析根据电机温度场的仿真分析及实践经验可知,电机绕组端部温升较高,热量不易散出,因此在实验中将温度传感器埋在绕组端部㊂实验中,电机㊁控制器㊁测功机冷却水管连接完成后的实物图见图9㊂图9 综合实验台3.1 额定工况下实验值与仿真值的比较在额定工况下,连接㊁调试设备后,设置与仿真分析时相同的水道环境,即设置初始进水口水温为60℃,并设置水流速度为10L /m i n,通过上位机设定电机转速为3000r /m i n,输出功率为25k W ㊂最终得到电机绕组端部温升曲线仿真值和实验值,如图10所示㊂图10 额定工况下绕组实验值和仿真值的比较比较实验值和仿真值,在额定工况下,仿真值高于实测值㊂在40m i n 时,仿真值高于实验值1.8℃,仿真值与实验值的误差为1.9%,因此仿真是准确可靠的㊂3.2 变功率工况下实验值与仿真值的比较在主额定工况下,得到的绕组端部温升实验值和仿真值结果如图11所示㊂经对比分析知,在20m i n 时,仿真值高于实验值1.02℃,仿真值与实验值的误差为1%,且仿真温度值和实验温度值在随时间变化过程中,温差波动变化均在合理范围内,因此仿真结果可信度较高㊂图11 主额定工况下绕组实验值和仿真值的比较在主峰值工况下,相应的实验过程同前述㊂如图12所示,在20m i n 时,得到的绕组端部温升仿真值比实验值高3.17℃,仿真值与实验值的误差为2.58%,误差较小,且温差变化范围合理,仿真结果可信度较高㊂图12 主额定工况下绕组实验值和仿真值的比较㊃2441㊃中国机械工程第26卷第11期2015年6月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.4 结论本文以一台额定功率为25k W的车用永磁同步电机为研究对象,通过建立其热力学模型,仿真分析了在额定工况及变功率工况下电机各部分的温度及温升变化;并通过实验平台对等同于仿真工况的实际电机绕组温升情况进行测试,比较实测结果与仿真数据,最大误差控制在4%之内,证明了仿真的正确性㊂综上所述,对车用永磁同步电机进行温度场研究得出如下结论:(1)通过仿真分析得出了电机在额定工况下达到稳态时的温度场㊂仿真结果表明绕组和永磁体的温度较高,但均在电机的热设计要求范围内㊂(2)通过仿真分析得到了电机工作在主额定工况和主峰值工况下绕组和永磁体的温度变化曲线㊂电机工作到20m i n时,主额定工况下最高温度为105.3℃,主峰值工况下最高温度为122.4℃,均大于电机工作在额定工况下的温度㊂因此对电机工作在瞬态条件下温度场进行研究是必要的㊂(3)对电机工作在额定工况和变功率工况下的仿真值和实验值进行比较,误差率最大不超过4%,验证了仿真模型和仿真分析的正确性,能够对电机设计提供一定的参考㊂参考文献:[1] 王丹,续丹,曹秉刚.电动汽车关键技术发展综述[J].中国工程科学,2013,15(1):68‐72.W a n g D a n,X u D a n,C a oB i n g g a n g.O v e r v i e w o nK e y T e c h n i q u e s o fE l e c t r i cV e h i c l e[J].E n g i n e e r i n gS c i e n c e s,2013,15(1):68‐72.[2] 李静,程小华.永磁同步电动机发展趋势[J].防爆电机,2009,44(5):1‐4.L i J i n g,C h e n g X i a o h u a.T h eD e v e l o p m e n tT r e n do fP MS y n c h r o n o u sM a c h i n e[J].E x p l o s i o n‐p r o o f E l e c-t r i cM a c h i n e,2009,44(5):1‐4.[3] 彭海涛,何志伟,余海阔.电动汽车用永磁同步电机的发展分析[J].装备机械,2010,43(6):78‐81.P e n g H a i t a o,H eZ h i w e i,Y u H a i k u o.D e v e l o p m e n tA n a l y s i s o nP e r m a n e n tM a g n e tS y n c h r o n o u s M o t o ri nE l e c t r i cV e h i c l e[J].E q u i p m e n tM a c h i n e r y,2010,43(6):78‐81.[4] 丁树业,郭保成,冯海军,等.变频控制下永磁同步电机温度场分析[J].中国电机工程学报,2014,34(9):1368‐1375.D i n g S h u y e,G u o B a o c h e n g,F e n g H a i j u n,e ta l.T e m p e r a t u r eF i e l d I n v e s t i g a t i o n o f P e r m a n e n tM a g-n e t S y n c h r o n o u sM o t o r sC o n t r o l l e db y t h eF r e q u e n-c y C o n v e r s i o n C o n t r o lS y s t e m[J].P r o c e ed i n g so ft h eC S E E,2014,34(9):1368‐1375.[5] 张琪,鲁茜睿,黄苏融,等.多领域协同仿真的高密度永磁电机温升计算[J].中国电机工程学报,2014, 34(12):1874‐1881.Z h a n g Q i,L uX i r u i,H u a n g S u r o n g,e t a l.T e m p e r-a t u r eR i s eC a l c u l a t i o n so fH i g hD e n s i t y P e r m a n e n tM a g n e tM o t o r sB a s e do n M u l t i‐d o m a i nC o‐s i m u l a-t i o n[J].P r o c e e d i n g so ft h eC S E E,2014,34(12): 1874‐1881.[6] 程树康,李翠萍,柴凤.不同冷却结构的微型电动车用感应电机三维稳态温度场分析[J].中国电机工程学报,2012,32(30):82‐90.C h e n g S h u k a n g,L i C u i p i n g,C a i F e n g.A n a l y s i so ft h e3DS t e a d y T e m p e r a t u r eF i e l do f I n d u c t i o n M o-t o r sw i t hD i f f e r e n tC o o l i n g S t r u c t u r e s i n M i n iE l e c-t r i cV e h i c l e s[J].P r o c e e d i n g s o f t h eC S E E,2012,32(30):82‐90.[7] N o l l a uA,G e r l i n g D.A N e w C o o l i n g A p p r o a c hf o rT r a c t i o n M o t o r si n H y b r i d D r i v e s[C]//E l e c t r i cM a c h i n e s&D r i v e sC o n f e r e n c e(I E M D C).C h i c a g o: 2013:456‐461.[8] 付兴贺,林明耀,徐妲,等.永磁‐感应子式混合励磁发电机三维暂态温度场的计算与分析[J].电工技术学报,2013,28(3):107‐113.F uX i n h e,L i nM i n g y a o,X uD a,e t a l.C o m p u t a t i o na n dA n a l y s i s o f3D‐t r a n s i e n tT e m p e r a t u r eF i e l d f o raP e r m a n e n t M a g n e t‐i n d u c t i o n H y b r i d E x c i t a t i o nG e n e r a t o r[J].T r a n s a c t i o n so fC h i n aE l e c t r o t e c h n i-c a l S o c i e t y,2013,28(3):107‐113.[9] 张琪,王伟旭,黄苏融,等.高密度车用永磁电机流固耦合传热仿真分析[J].电机与控制应用,2012,39(8):1‐5.Z h a n g Q i,W a n g W e i x u,H u a n g S u r o n g,e t a l.H e a tT r a n s f e r S i m u l a t i o n o f H i g h D e n s i t y P e r m a n e n tM a g n e t M o t o rf o r V e h i c l e s B a s e do n F l u i d‐S o l i dC o u p l i n g M e t h o d[J].E l e c t r i c M a c h i n e s&C o n t r o lA p p l i c a t i o n,2012,39(8):1‐5.[10] 邰永,刘赵淼.感应电机全域三维瞬态温度场分析[J].中国电机工程学报,2010,30(30):114‐120.T a iY o n g,L i uZ h a o m i a o.A n a l y s i so n T h r e e‐d i-m e n s i o n a lT r a n s i e n tT e m p e r a t u r eF i e l do fI n d u c-t i o n M o t o r[J].P r o c e e d i n g so f t h eC S E E,2010,30(30):114‐120.[11] 胡田,唐任远,李岩,等.永磁风力发电机三维温度场计算及分析[J].电工技术学报,2013,28(3):122‐126.H uT i a n,T a n g R e n y u a n,L iY a n,e t a l.T h e r m a lA n a l y s i s a n d C a l c u l a t i o n o f P e r m a n e n t M a g n e tW i n dG e n e r a t o r s[J].T r a n s a c t i o n so fC h i n aE l e c-t r o t e c h n i c a l S o c i e t y,2013,28(3):122‐126.㊃3441㊃车用永磁同步电机三维温度场分析刘蕾刘光复刘马林等Copyright©博看网. All Rights Reserved.[12] 靳廷船,李伟力,李守法.感应电机定子温度场的数值计算[J ].电机与控制学报,2006,10(5):492‐497.J i n T i n g c h u a n ,L i W e i l i ,L iS h o u f a .N u m e r i c a l C a l c u l a t i o n a n dA n a l ys i s o f S t a t o rT h e r m a l F i e l d i n a n I n d u c t i o n M a c h i n e [J ].E l e c t r i c M a c h i n e sa n d C o n t r o l ,2006,10(5):492‐497.(编辑袁兴玲)作者简介:刘蕾,女,1979年生㊂合肥工业大学机械与汽车工程学院博士㊂研究方向为新能源汽车用电机系统及其控制㊂刘光复,男,1945年生㊂合肥工业大学机械与汽车工程学院教授㊁博士研究生导师㊂刘马林,男,1990年生㊂合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士研究生㊂朱标龙,男,1990年生㊂合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士研究生㊂轮履复合救援机器人的乘适性分析与优化李浩1,3侍才洪3 康少华2 张西正31.天津理工大学,天津,3003842.军事交通学院,天津,3001613.军事医学科学院,天津,300161摘要:研究了一种新型轮履复合式救援机器人,它可通过轮履结构的转换在灾难现场等复杂环境中高效地解救和运送伤员㊂出于对解救伤员在运送过程中安全性㊁舒适性的考虑,对救援机器人以轮式状态运送伤员的过程进行了振动分析,并利用A D AM S 建立救援机器人轮式结构的动力学模型,对其在实际路况的运行进行了仿真分析㊂考虑人体不同部位不同方向具有不同的频率加权,利用MA T L A B设计相应滤波器对仿真所得振动曲线进行处理以计算救援机器人的乘适性㊂以获取更好的乘适性为目标,通过MA T L A B 优化工具箱对救援机器人悬架参数进行了优化设计,并进一步验证了优化结果的合理性㊂关键词:轮履复合;动力学分析;乘适性;优化设计中图分类号:T P 242.6 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.11.005A n a l y s i s a n dO pt i m i z a t i o no fR i d eC o m f o r t f o r aW h e e l ‐t r a c k e dR e s c u eR o b o t L iH a o 1,3 S h i C a i h o n g 3 K a n g S h a o h u a 2 Z h a n g X i z h e n g31.T i a n j i nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,T i a n j i n ,3003842.M i l i t a r y T r a f f i c I n s t i t u t e ,T i a n ji n ,3001613.A c a d e m y o fM i l i t a r y M e d i c a l S c i e n c e ,T i a n ji n ,300161A b s t r a c t :T h i s p a p e r p r e s e n t e dan e wk i n do fw h e e l ‐t r a c k e dr e s c u e r o b o t ,w h i c hc o u l de f f i c i e n t l ys e a r c ha n d t r a n s p o r t t h ew o u n d e d i n t h e d i s a s t e r s i t e s a n do t h e r c o m p l e xe n v i r o n m e n t s b y c o n v e r t i n gt h e s t r u c t u r e b e t w e e nw h e e l a n d t r a c k .C o n s i d e r i n g t h e s a f e t y a n d c o m f o r t o f t h ew o u n d e d ,t h i s p a pe rf o c u s e do n t h e v i b r a t i o n a n a l y s i s d u r i ng th e t r a n s p o r ti n g o f t h ew o u n d e d ,a n d u s e d t h em u l t i ‐b o d y d y -n a m i c s s o f t w a r eA D AM S t oe s t a b l i s ht h e r e s c u e r o b o t ’sd yn a m i c sm o d e l .T h i sm o d e lw a s a b o u t t h e s i m u l a t i o na n a l y s i s o f t h eo p e r a t i o n i nt h ea c t u a l r o a dc o n d i t i o n s .C o n s i d e r i n g di f f e r e n t p a r t so f t h e h u m a nb o d y h a v e d i f f e r e n t f r e q u e n c y w e i g h t i n g fu n c t i o n s i nd i f f e r e n t d i r e c t i o n s ,t h e s i m u l a t i o n c u r v e s h o u l db e p r o c e s s e db y t h ec o r r e s p o n d i n g f i l t e rd e s i g n e db y MA TL A Bt oc a l c u l a t e t h er o b o t ’s r i d e c o m f o r t .T a r g e t t o b e t t e r r i d e c o m f o r t ,t h e s u s p e n s i o n p a r a m e t e r s s h o u l d b e r e d e s i g n e d b y t h eMA T -L A Bo p t i m i z a t i o n t o o l b o x e s .A n dt h e f u r t h e r s i m u l a t i o no u t c o m e sd e m o n s t r a t e t h e r a t i o n a l i t y o f t h e o pt i m i z a t i o n r e s u l t s .K e y wo r d s :w h e e l ‐t r a c k e d ;d y n a m i c s a n a l y s i s ;r i d e c o m f o r t ;o p t i m i z a t i o nd e s i g n 0 引言近年来国内外对救援机器人的研究开发日益重视,并已取得显著成就[1]㊂目前的救援机器人不仅能够探测发现伤者,还具有转运伤员的功能,收稿日期:20140709基金项目:军队重大专项(B S 312C 002);军事医学科学院创新基金资助项目(2012C X J J 007)比较典型的有日本救援机器人R o b o C u e㊂本文研究的救援机器人是一种应用于灾难现场救援的机器人,具有搜救并转送伤员的功能㊂由于救援机器人的工作环境通常为复杂多变㊁不可预测的非结构环境,故为了提高救援效率,救援机器人采用轮履复合式结构[2]㊂救援机器人解救的多为骨折㊁烧伤㊁大量出血㊃4441㊃中国机械工程第26卷第11期2015年6月上半月Copyright ©博看网. 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钕铁硼永磁同步发电机三维温度场有限元计算

钕铁硼永磁同步发电机三维温度场有限元计算摘要：钕铁硼永磁同步电机进行热分析，得到了钕铁硼电机的整体温度场分析及线圈绕组的最高温度。

同时通过对电机进行温升实验，分析结果与实验数据基本一致，证明了电机三维模型简化合理，采用的计算方法正确。

说明该分析方法对于此类型的钕铁硼永磁电机设计与优化具有一定的参考意义。

关键词：钕铁硼；永磁同步发电机；温度场；有限元计算1 引言在钕铁硼永磁同步发电机的设计中，对电机温度场仅作二维分析是不够的。

为了提高计算的准确度，需对电机作三维温度场分析，以此指导设计。

本文以一台1.5kW钕铁硼永磁同步电机为例，采用有限元法分析电机三维温度场，`在负载状态下得到电机定子溢度分布。

根据三维稳态温度场方程和相应的边界条件，采用有限元分析方法，分析和计算了钕铁硼永磁同步发电机的三维温度场，计算结果与实测值基本相符。

2 钕铁硼永磁同步发电机特点钕铁硼永磁电机与传统的旋转电机和机械转换结构驱动方式相比，具有功率密度大、控制精度高、响应快、推力大、增加编码器定位精度高等优点。

可以提高机床进给驱动的速度、精度和效率，目前已被广泛应用于电火花成型机、高速磨床、高速加工中心、电梯、汽车等设备中[1]。

随着永磁钕铁硼材料的发展与应用，永磁电机得以高速发展，研究开发经验逐步成熟。

但与旋转电机一样，线圈绕组及铁芯发热会给永磁钕铁硼电机带来以下不利因素：温升过高，降低电机使用寿命；温度升高，导致工钕铁硼磁性能降低；电机受电流限制，不能产生更大的转矩[2]。

设计有效的永磁钕铁硼电机冷却系统，是提升其性能的不二途径。

3 数学模型基本假设条件为了便于分析，缩短分析时间，适应大部分计算机。

假设电机处于稳定导热状态，电机各部分热量传递依照传导和对流换热进行，不考虑辐射影响，电机几何尺寸一定，物理性参数一定。

不饱和温度场方程三维稳态温度场方程可描述为；用LDL分解法或商斯消元法解上述，J程组，就可得到物域中各节点的温度。

某永磁直驱电机温度场仿真分析及其优化

某永磁直驱电机温度场仿真分析及其优化李会兰，周立安，晏才松，丰帆（中车株洲电机有限公司，湖南株洲412001）摘要：文章基于计算流体动力学原理，对某永磁直驱电机温度场进行数值仿真计算，分析电机温度分布特点和关键部件温升。

根据仿真结果，提出绕组端部灌封和端盖布置水路两种优化方案。

仿真结果与样机试验结果一致性较好。

所得结论为相似结构电机的冷却系统设计提供了参考。

关键词：永磁直驱电机；温度场仿真；灌封绕组温度过高，绝缘的使用寿命会变短，甚至可能导致绝缘失效。

对于永磁电机，永磁体温度过高还会发生不可逆退磁。

因而永磁电机的温升计算和方案优化尤为重要。

常见的电机温升计算方法有简化公式法，等效热路法和数值方法[1]。

随着计算机技术的发展，越来越多的研究者倾向于利用数值方法了解电机内详细的温度分布，为冷却结构的可行性和优化提供依据[2-3]。

文章以一款机车用大功率永磁直驱电机为研究对象，基于计算流体动力学原理，对电机额定工况下电机温度场进行仿真分析，分析温度分布特点和关键部件温升，并根据仿真结果提出优化方案，为后续电机温升优化提供参考。

1电机冷却结构介绍为了保证永磁体工作环境的清洁，永磁电机基本采用全封闭结构。

文章研究的永磁直驱电机工作在低速大转矩区间，定子绕组电流大、铜耗较大，定转子铁耗和永磁体涡流损耗相对较少。

如何在全封闭结构下实现绕组的良好散热是电机选择冷却方式的关键因素。

全封闭冷却系统可以分为自通风、强迫通风以及机座水冷结构。

自通风结构采用与电机同轴的风扇，低转速时风量小，冷却效果差，因此永磁直驱电机常常采用强迫通风结构和机座水冷结构。

空气冷却效果相对较差，因此强迫通风结构一般用于功率密度较低，发热因素较低的电机。

文章研究的永磁直驱电机功率密度较高，安装空间比较有限，如果采用强迫通风方式，一般采用轴向通风结构，在铁芯处布置通风孔；冷却风沿轴向吸热升温，散热能力变差，出风端部件温度高，电机轴向温差大，出风端处的轴承温度通常较高；此外，机车运行环境较差，冷却风虽然经过过滤，但是仍然可能夹带一些金属粉末，在磁场作用下，粉末附着在轴向风道中，使得电机冷却效果下降，甚至可能堵塞风道。

18kW永磁同步发电机三维温度场计算

路中。
（２）电机表面采用水冷。冷却水流动时处于
随着稀土技术的发展，永磁同步发电机被越来越多地应用于汽车行业。作为汽车用发电机，
电机的温升直接关系到电机的绝缘寿命和运行安全，因此研究汽车用永磁同步发电机的温度场
分段施加散热系数的方法来分析潜水泵用潜水电机转子部分温度场。文献［５］计算了风力发电机的温度场。文献［６］分析计算了高压永磁同步电动机转子的温度场。但目前针对汽车用永磁同步发电机的温度场的计算还很少。
本文在传热学基本原理的基础上，建立了永
对潜水电机内部冷却环境复杂的情况，提出采用
根据以上假设，得到的计算模型如图１。
《电机技术》２０１６年第５期．９．
理论与设计
ｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ
磁发电机的有限元模型，并基于该模型计算了电
机内温度场的分布，分析了各部分温升不同的原
因。为汽车用永磁发电机的设计奠定了理论基础。
１计算模型
为了建立满足工程需求的永磁发电机计算模型，特作以下假设：（１）电机内部空气流量均匀分布于转子风
ＤＯＩ编码：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎｌ００６－２８０７．２０１６．０５．００３
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔａｋｉｎｇｔｈｅ１８ｋＷＰＭｍａｃｈｉｎｅａｓｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ，ｍｏｄｅｌｏｆ３ＤｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｅｆｌｄｏｆｔｈｅＰＭｍａｃｈｉｎｅｗａｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄｐｒｏｂｌｅｍｏｆｈｅａｔｅｘｃｈａｎｇｅｂｅｔｗｅｅｎｓｔａｔｏｒｓａｎｄｒｏｔｏｒｓｗａｓｓｏｌｖｅｄ．Ｔｈｅｉｎｆｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｔｈｏｄｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｃａｌ — ｃｕｌａｔｅｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｆｅｌｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｔｈｅｒｅａｓｏｎｏｆｔｅｍ— ｐｅｒａｔｕｒｅｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐａｒｔｏｆｔｈｅｍａｃｈｉｎｅ，￣ｒｍｉｎｇｔｈｅｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰＭｇｅｎｅｒａｔｏｒ３Ｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｆｉｅｌｄｆｉ—

舵机用永磁同步电机的设计与温度场分析

际情况的电机三维瞬态温度分布结果。试验结果表明设计方案合理。
关键词：永磁同步电机低转动惯量有限元法损耗三维温度场中图分类号：ＴＭ３１５
ＤｅｓｉｇｎｏｆＰＭＳＭｆｏｒＡｃｔｕａｔｏｒａｎｄＩｔｓＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＦｉｅｌｄＡｎａｌｙｓｉｓ
子绕组形式和槽极数配合做了较为合理的选择，确定了电机基本尺寸。电机电磁场有限元分析结果表明，电机具有较高的电气性能。由于电机功率密度高，电磁有效部位细长，电机转速较高，
电机温升问题突出。根据传热学理论，建立了永磁同步电机三维瞬态温度场求解模型，确定了表面散热系数。通过有限元分析得到了电机定子绕组铜耗、定子铁心铁耗以及永磁体和转子护套内的涡流损耗。将定子槽内和端部处导线分别等效成若干个导热体、分布排列，得到了更加符合实
ＡｂｓｔｒａｃｔＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｈｉｇｈｐｏｗｅｒｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ（ＰＭＳＭ）ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆ
陈益广郑军魏娟２郑再平２郭喜彬２
（１．天津大学智能电网教育部重点实验室天津３０００７２２．北京精密机电控制设备研究所 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 京１０００７６）

永磁同步电机的设计与温度场分析解释

永磁同步电机的设计与温度场分析解释摘要：21世纪，科学技术飞速发展，高新技术不断涌现，节电、环保意识日益增强，使得永磁同步电机发展的前途一片光明，尤其是高性能钕铁硼永磁同步电机及其伺服系统，随其技术的快速发展和日渐成熟，结构型式将日趋多样化，也将会赢得更为广泛的发展空间，获得更加广泛的应用。

关键词：永磁；同步电机；设计；温度场；分析解释1 引言近年来，永磁同步电机逐渐在各个领域得到广泛应用，日益成为人们生产和生活不可或缺的一部分。

永磁同步电机在运行的过程中会产生损耗，这些损耗会通过热量的形式逸散出来，使电机内部温度升高。

随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和钕铁硼永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。

与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机,特别是钕铁硼永磁同步电机具有高效率、高功率因数、高效区宽广、功率密度高、节电效果明显的优点。

2大功率高速永磁同步电机的设计2.1 主要设计特点永磁同步电机的定子一般与相应的异步电机的定子冲片相同，最主要的是对转子的设计。

本文设计的大功率高速永磁同步电机的使用场合较为特殊，对于这样的大电机要求运行可靠、大功率、高转速、高效率、防爆要求较高。

所以不仅要设计合理的电磁磁路，又要在相应的技术参数基础上(机、电、热、材料、工艺、环境)对电机的性能进行改善。

所以在设计过程中要综合以下方面综合考虑：2.1.1 高压变频高压变频起动永磁同步电机无需起动绕组，这样需要大功率的变频器来与之相匹配，同样还要加强电气强度，提高安全系数。

2.1.2 大容量电机为4级，定子额定电流约为660A，额定电压约为10kV,额定功率约为10MW，定子绕组采用Y型连接方式，相数为3相，额定频率为160Hz，额定转矩为20kN?m 。

2.1.3 高转速电机额定转速约为4800rpm，功率大、效率高、转速高，调速宽而且能满足S1工作制。

结合实际大功率高速永磁电机技术水平，合理选择永磁体的励磁方式，以及结构设计。

永磁直流电机温度场的分析与计算

敏感［４］，过高的温度会使永磁体磁性下降，定子
部分过饱和，从而使得电机的电磁性能降低，甚至会使永磁体产生不可逆的退磁。因此，对电机
进行温度的预测和计算在电机的整个设计过程中具有重要的意义［５＿７］。本文用等效热网络法对永磁直流电机的温度分布进行了分析和计算，并通过Ａｎｓｙｓ有限元分析与计算
姚光久谷爱昱江伟尹丙桥
广东工业大学（５１０００６）
ＡｎａｌｙｓｉｓａｎｄＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＦｉｅｌｄｏｆｔｈｅＰｅｒｍａｎｅｎｔＭａｇｎｅｔＤＣＭｏｔｏｒ
仿真佐证了该电机热网络模型的准确性，最后针
对电机温度分布情况，提出了降低电机温度的改
进方案。
ａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｐｅｒｍａｎｅｎｔ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｏｒｙｏｎｉｎｎｅｒｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｗｉｔｈｉｎｔｈｅ
ｍｏｔｏｒｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｅｓｔａｂｌｉｓｈｔｈｅｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｐｅｒｍａｎｅｎｔｍａｇｎｅｔｌｉｎｅａｒｍｏｔｏｒ，ｂａｓｅｄｕｐｏｎｔｈｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎ

永磁电机三维温度场计算与分析

永磁电机三维温度场计算与分析杨明国;张松【摘要】本文以某型永磁电机为例，建立永磁电机的三维周期对称模型，采用有限体积法，对其在额定功率下的温度场进行了计算。

通过温度场数值计算结果与实测数据对比，验证了所建模型的合理性，为该种永磁电机发热的仿真计算提供了参考依据。

%Based on one permanent magnet motor, a 3D, periodical and symmetrical model is established, where the temperature field under rated power using the FVM (finite volume method) is calculated. By comparison the numerical s,imulation with measurement results, it proves that the established temperature flied model is reasonable, which is a good reference to the temperature field calculation this kind motor【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2012(032)012【总页数】4页(P8-10,14)【关键词】永磁电机;温度场;流体场;CHT【作者】杨明国;张松【作者单位】海军驻七一二研究所军代室,武汉460064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言温升是考核永磁电机的一个重要指标[1]。

永磁电机结构复杂，其温度场的准确计算很大程度上取决于冷却系统内冷却介质的流动情况。

目前大多数文献都是采用有限元法，将冷却系统内冷却介质温度场的影响转换为对流换热系数，将其作为边界条件加载到电机温度场计算中[2,4]。

永磁同步电机温度场的研究

河南理工大学毕业设计（论文）说明书
摘要
能源短缺是当今世界面临的重要问题，而节能技术越来越受到国内外学者的重视。电力能源是一种常用的二次能源，作为电力消耗的最大对象—电机，高效节能一直是电机设计研发和维护的追求目标。电动机运行时产生的各种损耗将主要转变为热能，使电动机的各组成部分的温度升高。由于各组成部分在电动机内部所处的位置不同，它们各自的温度也不同。温度的变化直接影响电机的运行性能和使用寿命，本文以永磁同步发电机为模型，利用等效热路法对其温度场进行了计算，得到了电机温升计算的方法，并通过实用要求对定子和转子计算进行了简化处理。具体内容如下：分析电机的发热的主要来源，对电机的热源进行分析计算，运用传热学原理分析了电机的散热过程；运用等效热路法建立定子和转子的电路模型，对模型的建立和计算进行了详细的分析；在运用等效热路法分析计算电机温度场的基础上，结合实用性的要求，在误差允许的范围内得到电机温度场等效热路法计算的简化方法。关键词：永磁同步电机；温度场；等效热路法
III
河南理工大学毕业设计（论文）说Fra bibliotek书1 概述
1.1 课题的目的和意义
能源短缺是当今世界面临的重要问题，而节能技术越来越受到国内外学者的重视。作为电力能源消耗的最大对象——电机，高效节能一直是电机设计和研发追求的目标。国民经济的快速发展、科学技术的不断进步和人们生活水平的提高，都围绕电机高效节能的运行特性提出了更高的要求。永磁同步电机效率高、结构简单、功率因数高、控制特性好，特别适合高速运行，已广泛应用于机械加工业、电动工具、飞轮储能、高速离心机、高速压缩机等领域。绕组交流损耗、定子铁心损耗以及转子涡流损耗的准确计算是高速永磁同步电机的关键问题，也是学术界研究的热点。近年来，随着新材料、新工艺的使用以及冷却技术的发展，大型电机和电动机的容量逐渐增大，电机运行时损耗也逐渐增加，引起电机各部分温度升高。电机内部温升是电机设计中必须考虑的参数，良好的冷却能使电机内部温度不超标。永磁直线同步电机常用在垂直升降系统、高速地面运输系统等等，其发热过程是一个非稳定的过程，并且这类电机一般情况下无通风冷却装置。所以它的发热问题也越来越引起人们的重视。大功率永磁同步电机及其高功率密度和高效率的优势被广泛应用于各种领域，由于永磁材料具有温度敏感性，故对其温度场的研究十分必要。温度场计算式大功率永磁同步发电机设计的关键环节，同时可以为合理选择冷却方式提供依据。高压大功率永磁同步电动机与普通异步电动机相比，具有显著的节电效果，其应用领域也是非常广泛的，这将使高压永磁电机成为未来电机行业大功率电机发展的主要趋势。随着永磁材料性能的不断提高和完善，钕铁硼永磁的热稳定性和耐腐蚀性的改善，永磁材料价格的逐步降低以及电力电子器件的进一步发展，加上永磁电机研究开发经验的逐步成熟，使永磁电机在国防、工农业生产和日常生活等方面获得越来越广泛的应用

永磁同步电机三维全域温度场分析

永磁同步电机三维全域温度场分析摘要：永磁同步电机在变频供电情况下，其磁场中的谐波含量大，从而产生大量的涡流损耗和谐波铁耗，导致电机运行时温度升高，使电机内温度过高会导致永磁体产生退磁现象，而永磁体电磁性能又将直接影响电机效率、使用寿命及运行可靠性等，因此，有必要准确地分析并掌握永磁同步电机内三维温度场分布及流体场流动特性，本文以某一永磁同步电机建立包含电机散热结构在内的三维模型，对该永磁同步电机进行内部温度场及流体场进行计算分析，着重分析其主要部件的温升分布特性。

关键词：永磁同步电机；三维全域；温度场分析1 引言目前，对电机温度场的分析主要采用的是简化公式法、等效热网络法和有限元法等，由于电机内部温度场的分布较为复杂，有限元法对电机定子、定转子全域进行了二维温度场计算，分析气隙温度和机壳表面散热的变化对定子温升的影响，采用有限元及网格进行电机温度场的分析。

2 模型确定及求解条件2.1 数学模型以某一永磁同步电机为例，对其进行三维稳态温度场及流体场数值的研究。

由传热学基本原理可知，对稳态温度场进行求解时，并且导热方程不含时间项，同时选用三维稳态含热源、各向异性介质的导热控制方程，在笛卡儿坐标系下，三维导热方程式如下：2.2基本假设永磁同步电机内定子绕组采用圆形散下线形式，绕组在槽内排列极不规则，为了合理简化求解过程，做出基本假设如下：只研究电机内流体流速的稳定状态，即定常流动，因而控制方程不含有时间项；2）定子槽内浸渍状态良好，浸渍漆填充均匀，且铜线绝缘漆分布均匀；3）端部股线采用平直化处理；4）槽内所有绝缘(包括槽楔)的热性能与主绝缘相同，槽内槽绝缘和铁心紧密结合在一起；5）因电机内流体流动时的雷诺数很大，故采用湍流模型对电机内的流场进行求解；6）在电机内流体流速远小于声速，即马赫数很小，故把流体作为不可压缩流体进行处理。

2.2 通风结构此永磁同步电机内流体流动情况复杂，电机外部采用强迫通风冷却系统，通过外部风机使空气在散热片间流动，从而带走电机内的热量，实现降低电机温升的目的。

高速永磁电机流体场与温度场的计算分析

高速永磁电机流体场与温度场的计算分析佟文明;程雪斌;舒圣浪【摘要】为了研究中小型高速永磁电机内部流体场与温度场分布规律,以一台15kW,30000r/min内置式高速永磁电机为例,基于计算流体力学和传热学理论建立了三维流体场与温度场的物理模型,应用有限体积法对流体场与温度场进行耦合计算,得到了电机内空气的流动特性与各部件的温度分布规律.针对高速电机运行时转子表面空气摩擦损耗大的问题,基于所建立的3D流体场模型,分析了转子转速、转子表面粗糙度对空气摩擦损耗的影响.研究结果表明,高速永磁电机端腔空气的流动性差,加之空气摩擦损耗的影响,导致转子温升较高,且转子转速、转子表面粗糙度对空气摩擦损耗有着重要影响.【期刊名称】《电工电能新技术》【年(卷),期】2016(035)005【总页数】6页(P23-28)【关键词】高速永磁电机;有限体积法;流体场;温度场;空气摩擦损耗【作者】佟文明;程雪斌;舒圣浪【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,辽宁沈阳110870;沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心,辽宁沈阳110870;沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心,辽宁沈阳110870【正文语种】中文【中图分类】TM315高速永磁同步电机具有功率密度大、效率高、可直接与高速原动机或负载相连等优点，广泛应用于高速机床、高速离心压缩机和鼓风机等领域[1]。

但是由于工作频率高，单位体积损耗大，且转子散热困难，容易引起永磁体过热而造成不可逆退磁[2]，从而威胁电机安全运行，因此对高速永磁电机进行三维流体场与温度场耦合计算，设计合理的冷却结构，对改善电机冷却效果和确保电机安全稳定运行至关重要。

目前，国内外已有许多专家学者对电机的流体场和温度场进行了大量研究，并取得了丰硕的成果。

文献[3]对过去十年中常用于求解电机内热问题的集总参数热网络法、有限元法和计算流体力学法进行了详细的比较，指出了每种方法的优缺点；文献[4]利用流场仿真软件研究了定子通风系统内端部绕组、压指、压圈周围及径向通风沟内流体流动特点；文献[5]分别建立了微型电动车用感应电机热网络方程和温度场有限元模型，计算了电机额定状态下整体温升分布，并与实测值进行了对比；文献[6]对全封闭外置风扇冷却异步电动机设计了温度测试方案，测量并分析了定子绕组三维温度分布特点；文献[7]分析了发电机内部的流体场流变特性以及传热特点，得到电机在高海拔运行时电机内冷却空气、机壳中冷却水的流动特性及电机温升分布规律；文献[8]基于有限体积法对某变频调速隐极同步电机冷却空气流场进行了研究，得到了两种额定转速时电机内各部分空气流速、空气流量分布特点；文献[9]建立了YJKK系列中型高压电动机通风结构的风阻网络模型，通过风阻网络模型和电机动态特性曲线相结合对绕组起动温升进行了计算。

车用变频调速水冷永磁同步电机三维温度场分析

车用变频调速水冷永磁同步电机三维温度场分析王淑旺;江曼;朱标龙;刘马林【期刊名称】《电机与控制应用》【年(卷),期】2016(043)002【摘要】In order to find the three-dimensional temperature distribute regulation of the motor, took a 48-slot water-cooled PMSM as the research subject. Firstly, the losses of motor was analyzed and the equivalent thermal conductivity of the winding was calculated. Then simulated three-dimensional temperature of the motor under rated condition and the motor temperature rise met the design requirements under peak value condition by fluid field and temperature field coupling. At last, the simulation results were verified by experiments.%为研究其三维温升分布规律,以一台48槽的纯电动车用水冷永磁同步电机作为研究对象,首先分析了电机的热损耗,计算了绕组的等效导热系数;然后采用流体场与温度场耦合法仿真计算额定工况下电机的三维温度场与峰值工况下电机的温升,符合设计要求;最后通过试验验证了仿真分析的正确性.【总页数】5页(P55-59)【作者】王淑旺;江曼;朱标龙;刘马林【作者单位】合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院,安徽合肥 230009【正文语种】中文【中图分类】TM351【相关文献】1.车用永磁同步电机三维温度场分析 [J], 刘蕾;刘光复;刘马林;朱标龙2.基于有限公式法的水冷永磁同步电机三维温度场分析 [J], 佟文明;舒圣浪;朱高嘉;程雪斌3.变频调速异步电动机三维温度场耦合计算与分析 [J], 王国辉;晏才松;周立安4.车用水冷高功率密度永磁同步电机的流体场分析 [J], 沈启平;韩雪岩5.基于多物理场耦合的车用永磁同步电机三维温度场分析 [J], 马少丽;程普;刘慧敏因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

基于有限元法的永磁直流电机三维稳态温度场分析

关键词：温度场；永磁直流电机；有限元方法；ＡＳＳＮＹ
Ｄｉ０９９ｊｉｎ１０６３．２１．０．００ｏ：１．３６／．ｓ．００— １３０２２１ｓ
中图分类号：Ｔ９３Ｎ１．７
文献标识码：Ａ
文章编号：１０００—６３（０２００４０１３２１）２— Ｏ０— ５
ＡｃｏｄｎｏｔｅｂｕｄｒｏｉｏｓａｄｔｅｍａｅｉｒｐｒｉｓｏｈｅａｅｔｍａｎｔＤＣｍｏｏ，ｔｅｓｅｄｅｃｒｉｇｔｈｏｎａｙｃｎｄｔｎｎｈｔｒａｐｏｅｔｅｆｔｅｐｒｎｎｇｅｔｒｈｔａｙｔｎ— ｉｌｍｐｒｔｒｅｄｉｉｌｔｄ．Ｃｏａｉｇａｆｗｐｃａｏｎｓｆｏｔｍｐｒｔｒｉｔｂｔｏｔｘｒｍｅｔａａ，ｔｅｅａｕｅｆｌｓｓｍｕａｅｉｍｐｒｎｅｓｅｉｐｉｔｒｍｅｅａｕｅｄｓｒｕｉｎｗｉｈｅｐｅｌｉｉｎａｄｔｌｈｒｓｌｓｏｈｔｔｅａｃｒｃｅｓｗｔｈｎｉｅｒｎｅｕｒｍｅｔｎｄｖｒｆｓｔｅｒｔｎｉｙｏｈｉｌｔｏｅｕｔｈｗｓｔａｈｃｕａｙｍｅｔｈｔｅｅｇｎｅｇｒｑｉｅｎ，ａｅｉｈａｉａｔｆｔｅｓｍｕａｉｎｉｉｉｅｏｌｍｅｈｄ，ｗｈｃａｓａｆｕｄｔｎｆｒｔｅａａｙｉｆｔｅｒｌｉｔｆｔｅｐｒａｅｔｍａｎｔＤＣｔｒｔｏｉｈｌｙｏｎａｉｏｈｎｌｓｓｏｈｅｉｌｙｏｈｅｎｎｇｅｏｂａｉｍｍｏｏ．Ｋｅｗｏｄｔｍｐｒｔｒｅｄ；ｐｒａｅｔｍａｎｔＤＣｔｒｉｉｅｅｅｎｔｏｙｒｓ：ｅｅａｕｅｆｌｉｅｎｎｇｅｍｍｏｏ；ｆｔｌｍｅｔｍｅｈｄ；ＡＮＳｎＹＳ

基于Motor-CAD的永磁同步电机的温度场分析

基于Motor-CAD的永磁同步电机的温度场分析发表时间：2019-06-21T15:40:37.110Z 来源：《河南电力》2018年22期作者：徐鹏飞张侨[导读] 由于新能源电动汽车用永磁同步电机要求具有高功率密度，体积小，重量轻以及输出转矩大等特点，这需要电机具有较高的电负荷和磁负荷，然而这些都会产生较高的铜损和铁损，使电机发热过快，温升变高。

（武汉理工大学湖北武汉 430000）摘要：由于新能源电动汽车用永磁同步电机要求具有高功率密度，体积小，重量轻以及输出转矩大等特点，这需要电机具有较高的电负荷和磁负荷，然而这些都会产生较高的铜损和铁损，使电机发热过快，温升变高。

因此，针对永磁同步电机的温度场分析是十分有必要的。

本文以额定功率为80kw的电动客车用永磁同步电机为研究对象，通过热路法对该电机进行了温度场仿真，并通过实验验证了仿真的正确性。

关键词：新能源电动汽车；温度场仿真；热路法一、引言电机内部包括了定子铁芯、转子铁芯、轴、永磁体、绕组、轴承、壳体等部件，这些部件中所用材料、结构等都不尽相同，他们的导热性和产生的热能也不同，想要准确计算电机的各个部件的温升是非常困难的。

而电机的温升又对电机运行的性能影响非常大，当电机的温度过高时，不仅会导致永磁体剩磁密度的下降，甚至永久失磁；而且还会使电机绕组的绝缘层损坏，使电机无法正常运行。

因此电机的温度场仿真是电机生产实践中一个比较重要的环节。

随着电动汽车永磁同步电机的广泛研究，国内外的研究学者对永磁同步电机的温度场也做了大量的研究，文献[1]中对通过建立电机的三维模型对电机不同工况下的温度场进行了分析；文献[2]通过三维流固耦合的方法对高速永磁同步电机做了温度场分析并验证了仿真的正确性。

文献[3]通过新型的有限公式法建立水冷永磁同步电机的温度场数学模型，给出了该方法下的对流散热边界处理和编程实现的方法。

本文将通过Motor-CAD热路仿真软件来对一台额定功率为80kw的永磁同步电机电机损耗和温度场进行分析，并通过实验来验证仿真的正确性。

电动汽车驱动电机三维CFD热分析与温升测试研究

制造测试样机载台架完成温升试验，了
仿真计算的性，为整车在工况下把
控驱动电机永磁体工作温度提供数据支持。
1电机三维CFD温度场计算数学模型
1.1电机内传热数学计算模型基于流体-固体共U传热的方法对电动汽车
驱动电机三维温度场进行数值计算，根据传热学基本理论研究电机瞬态温度场和导热微分方程中含项。在笛卡儿坐标系下，驱动电机传热过程可以简化为含有内热源的三维瞬态导热问题，可用拉普拉斯微分方程描述其热平衡方程。导热微分方程和边界条件可表示为
0引言
驱动电机作为电动汽车驱动系统的心脏，具
有
度高、起动转、弱磁
、振动噪
,性能
电动汽车的整车
性能。车用驱动电机的
度、高转度
行时的
电机发热较为严
重，
散热方
，对
于定子铁心和的
有不错的，但转
子的散热
&
的电机温度会
使永磁体永久性退磁、定子
电机性能和用
，进
，严电动汽车
的可靠运行'1]&
,
对驱动电机进行热仿
LIU Xiong1, XIONG Fei , ZHU Linpei1, LIU Jian1, YANG Bozhi2
[1. Guangzhou Automotive Engineering Institute (GAEI) , Guangzhou 511434, China; 2. GAC Silicon Valle@ R&D Center, Sunnyvale 94086, CA, USA]
磁同步电机的散热性能进行了仿真计算,得到了不同工况下电机定转子的温度分布规律。利用滑环模块解决

高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算

高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算一、概述高速永磁同步电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor, HSPMSM）作为现代工业自动化领域的关键设备，因其高效率、高功率密度和良好的控制性能，在航空航天、高速列车、电动汽车等重要领域得到广泛应用。

高速运行条件下，电机内部的热效应和温升问题成为限制其性能和可靠性的关键因素。

电机的损耗分析和温度场计算对于理解其热行为、优化设计以及确保运行安全至关重要。

本论文旨在对高速永磁同步电机的损耗和温度场进行系统分析。

将对电机的损耗类型进行分类，包括铁损、铜损和杂散损耗，并探讨各种损耗在高速运行条件下的变化规律。

将详细介绍基于有限元方法的电机温度场计算流程，涉及热生成、对流散热、热传导等关键物理过程。

通过实验验证和仿真结果对比，评估所提方法的有效性和准确性，为高速永磁同步电机的热管理提供理论依据和技术支持。

1. 高速永磁同步电机的发展背景和应用领域随着科技的不断进步和工业的快速发展，电机作为转换电能为机械能的核心设备，其性能的提升与技术的革新显得尤为重要。

高速永磁同步电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor,HSPMSM）作为现代电机技术的一个重要分支，凭借其高效、高功率密度、高转速和低维护等特性，在多个领域展现出了广阔的应用前景。

发展背景方面，随着全球能源危机的加剧和环境保护意识的提升，高效节能型电机成为了研究的热点。

高速永磁同步电机正是在这一背景下应运而生，它不仅继承了传统永磁同步电机的高效率特性，而且通过提高转速，进一步提升了能量转换效率和功率密度。

新材料、新工艺的不断涌现，也为高速永磁同步电机的设计与制造提供了更多的可能性。

应用领域方面，高速永磁同步电机已被广泛应用于风力发电、新能源汽车、航空航天、高速机床、压缩机等多个领域。

在风力发电中，高速永磁同步电机的高效性能和稳定性为风能的高效利用提供了保障在新能源汽车中，其高功率密度和快速响应特性使得车辆加速更加迅速和平稳在航空航天领域，其高转速和轻量化特点使得其在飞行器的动力系统中占据了重要地位。

兆瓦级永磁发电机三维稳态温度场研究及优化分析

兆瓦级永磁发电机三维稳态温度场研究及优化分析永磁技术的进步,引领了电机发展的一个新的趋势。

永磁电机与传统电励磁发电机相比,省去了电刷、励磁绕组、集电环等装置,在结构上也更加紧凑简单,便于生产维护,还具有无励磁损耗、功率因数高等优势。

但是,电机在运行过程中会不可避免的产生损耗,这些损耗会以热量的形式表现,持续的高温会使永磁电机转子上的永磁发生退磁或者是不可挽回的失磁和绝缘老化进而出现短路现象。

永磁电机一旦失磁,会使电机的输出电压下降,对并网运行造成较大的冲击。

发电量的增加导致发电机的单机容量增加,提高线负荷是增加单机容量的有效措施,同时也会伴随着更大损耗的产生。

因此,对电机温度场的准确计算是保证电机持续可靠安全运行的必要措施。

为解决上述问题,本文以一台6MW永磁风力发电机为例,以传热学和计算流体力学作为理论基础,结合流-热耦合机理,根据电机实际冷却结构建立三维耦合场的数学和物理模型,同时给出符合电机实际运行环境的基本假设和计算边界条件,应用有限体积法分析电机在额定运行时的耦合场流体流动及温度分布情况。

详细分析了定子通风道内流体速度的变化特性,以及各个通风道内的流量变化趋势及定子铁心边界处的散热系数;在温度场的计算结果方面,从全局的角度出发,分析电机整体温升变化趋势,并对主要发热部件(绕组、定子铁心、转子磁极及永磁体)进行详细系统的分析,结合流体场分析冷却气体的换热过程。

在此基础上设计结构优化方案,对不同方案下的结构进行仿真计算,从而找到最为合适的通风结构。