永磁同步电机的设计与温度场分析解释
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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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。
二、电机的损耗分析（一）电机的铁耗分析三、电机的温度场分析本文以一台额定功率为80kw，额定转速1150rpm的电动客车用永磁同步电机为分析模型，基于Motor-CAD热路仿真软件对电机进行了温度场仿真，仿真模型如图3-1所示，包含了电机轴、壳体、定子铁芯、转子铁芯、定子绕组、永磁体和电机端盖部分。
永磁同步电动机的分析与设计
永磁同步电动机的分析与设计永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）是一种采用永磁材料作为励磁源的同步电机。
相较于传统的感应电机，永磁同步电机具有高效率、高功率因数、高转矩密度和高速控制响应等特点，因此在许多应用领域中得到广泛应用。
本文将介绍永磁同步电机的分析与设计内容。
首先，分析永磁同步电机的基本原理。
永磁同步电机由永磁铁和电磁绕组组成。
当绕组通电后，产生的磁场与永磁铁的磁场相互作用，使电机转子产生旋转力矩。
通过分析电机的磁动特性和电动力学特性，可以得到电机的数学模型和控制方程，为电机设计和控制提供理论依据。
其次，设计永磁同步电机的结构参数。
永磁同步电机的结构参数包括定子绕组的匝数、线圈的截面积和磁链密度等。
这些参数的选择将直接影响电机的性能，如转矩、效率和功率因数等。
通过优化设计，可以使电机在给定的体积和功率范围内获得最佳性能。
然后，进行永磁同步电机的电磁设计。
电磁设计包括计算电机的电磁参数，如磁链、磁势和磁密等。
在设计过程中，需要考虑电机的工作条件和负载要求，选择合适的磁路结构和电磁铁材料，以提高电机的效率和转矩密度。
接下来，进行永磁同步电机的电气设计。
电气设计包括计算电机的电气参数，如电压、电流和功率等。
通过分析电机的电气性能，可以确定电机的绕组参数和功率电路的参数，以满足电机的输出要求和电力系统的特性。
最后，进行永磁同步电机的控制设计。
控制设计是永磁同步电机应用中至关重要的一环。
通过采用合适的控制策略和控制器，可以实现电机的速度、位置和转矩精确控制，提高电机的动态响应和工作效率。
总之，永磁同步电机的分析与设计是实现高效电机控制的关键步骤。
通过对电机的原理分析、结构参数设计、电磁设计、电气设计和控制设计等方面的研究，可以实现电机的优化设计和性能优化，推动永磁同步电机技术在各个领域的应用发展。
50kW车用永磁电机冷却结构优化与温度场分析
50kW车用永磁电机冷却结构优化与温度场分析
王立森;夏加宽;朱启生;武彤
【期刊名称】《船电技术》
【年(卷),期】2024(44)4
【摘要】针对车用永磁同步电机在装配空间有限的情况下提高功率密度的问题,以一台50 kW车用永磁电机(PMSM)为研究对象,设计一种新型冷却结构,并进行了温度场仿真计算。
通过有限元软件建立PMSM三位温度场仿真模型,得到电机内部绕组温度分布情况,并分析了新型冷却结构的电机温度场分布情况,与传统的冷却结构在同等条件下进行对比分析,结果表明本电机新型冷却结构设计合理。
相比于传统冷却结构,新型冷却结构能更好地降低绕组端部温升,为开发大功率车用永磁电机或减小电机体积提供一定参考。
【总页数】5页(P65-69)
【作者】王立森;夏加宽;朱启生;武彤
【作者单位】沈阳工业大学电气工程学院;沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】TM351
【相关文献】
1.半直驱永磁风力发电机冷却介质温度场分析研究
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永磁同步电机的冷却结构优化设计及温度场仿真5.永磁同步电机温度场分析与水道结构优化
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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。
潜油永磁同步电机温度场研究
潜油永磁同步电机温度场研究随着油田不断开发,一些情况复杂的油井如水平井、大斜度井、高含蜡含砂等原油井数量逐渐增多,对采油技术提出了更高的要求,低速大扭矩潜油永磁同步电机直接驱动潜油螺杆泵的采油方式在油田上的应用逐步推广开来。
潜油永磁同步电机工作在数千米的井下,井下温度较高、散热条件恶劣,若温升过大则可能导致绕组烧坏或者永磁体产生退磁,因此本文对潜油永磁同步电机的温度场进行了相关研究。
首先,对潜油永磁同步电机气隙润滑油进行了分析与计算。
将定转子之间的润滑油看作是粘性、不可压缩流体。
根据永磁体不同的保护方式,对润滑油分别进行建模、网格划分与边界条件设定。
经分析得到在薄不锈钢板保护永磁体的方式下,润滑油流动状态更为简单,而且油摩损耗较低。
研究了温度以及转速对油摩损耗的影响规律。
其次,对潜油永磁同步电机的铜耗、铁耗以及其它摩擦损耗进行了分析与计算。
根据电机的参数建立电机计算的数学模型,并通过分析空载气隙磁密以及空载反电势证明了电机模型的有效性。
根据定子绕组的电阻率随温度变化情况得到了温度对铜耗影响规律。
采用三种铁耗计算模型在额定工况下对电机的铁耗进行了计算与分析;研究了电机转速、负载转矩以及温度对铁耗的影响规律。
说明了扶正轴承、止推轴承摩擦损耗的计算方法。
最后,对潜油永磁同步电机温度场进行了计算与分析。
分析了电机存在的传热方式,提出一些合理假设,简化电机模型、建立三维模型、划分网格,将前面计算的电机损耗导入至电机热模型中,通过以上工作得到了电机在额定工况下的温度场并进行分析。
研究了外部原油的流动速度以及绝缘材料的选择对潜油永磁同步电机温度场的影响规律。
对潜油永磁同步电机温升测试进行了简单设计与说明。
永磁直流无刷力矩电机温度场分析
永磁直流无刷力矩电机温度场分析永磁直流无刷力矩电机是一种高效率、高精度、低噪音的电机，广泛应用于各类电动工具、家用电器、工业自动化设备等领域。
在运行过程中，由于其高速旋转和大功率输出，会产生较高的热量，因此对电机温度场进行分析和优化，提高电机的散热能力具有重要意义。
首先，对永磁直流无刷力矩电机进行建模，分析其主要部件在电机工作过程中的热量产生和散热情况。
电机主要由转子、定子、永磁体、传感器等部件组成。
在工作状态下，电机主要产生的热源是电流通入电机时由铁芯、绕组等部件的电阻产生的焦耳热，以及机械摩擦和气体摩擦等非电学效应。
电机的散热方式主要包括辐射、传导、对流等，其中对流是最主要的散热方式。
其次，在考虑电机的实际工作环境和应用场景的基础上，对电机温度场进行模拟和优化。
在模拟过程中，需要考虑电机外界环境温度、转速、负载、通电时间等因素的影响。
电机在工作状态下热量的积累和散热的变化是一个动态过程，需要通过复杂的计算和仿真来模拟。
同时，需要优化电机的散热结构和散热材料，以提高电机的散热效率和稳定性。
最后，对电机温度场进行实测和分析，以验证模拟结果的准确性和可靠性。
需要在电机工作状态下，采用热电偶、红外线测温仪等多种测试方法对电机各个部位的温度进行实时监测，并采集相关数据进行分析。
实测结果可以用于校准模拟结果，进一步优化电机的散热设计和材料选用。
总之，对永磁直流无刷力矩电机温度场进行分析和优化，可以提高电机的效率和性能，延长电机的使用寿命，减少故障率和维护成本，具有重要的应用价值和实际意义。
对于永磁直流无刷力矩电机的温度场数据分析，主要包括电机不同部位的温度变化以及随着不同负载、转速和通电时间等参数的变化而发生的温度变化。
以下是对这些数据的分析和总结。
1.电机不同部位的温度变化通过对电机不同部位的温度进行监测和记录，可以发现电机中心、绕组和轴承等部位温度较高。
这是因为电机主要产生的热源在这些部位集中，因此需要特别注意这些部位的散热设计和优化。
高速永磁同步电动机流场及温度场分析
高速永磁同步电动机流场及温度场分析兰志勇;王琳;焦石;魏雪环;陈麟红【期刊名称】《微特电机》【年(卷),期】2018(046)002【摘要】目前,电机行业高速发展,高速永磁电机得到广泛应用,在压缩机、高速离心机等场合要求电机转速越来越高,致使电机气隙风摩引起电机温升增大,过高的温度引起永磁体退磁,影响电机正常运转.通过ANSYS软件对高速电机气隙内流场及风摩引起电机温升变化进行了多物理场耦合分析,得到了电机定转子、绕组的温度场分布情况.最后,对不同转速情况下电机定转子、绕组温升变化情况进行对比,得到转速对温升的影响.%Presently,the motor industry developed rapidly,and high speed permanent magnet synchronous motor is widely used,such as compressor,high-speed centrifuge applications,which caused the temperature rise by the motor speed higher and higher,and the motor air gap wind mill loss.Thus the demagnetization of permanent magnet occurred,which impact the operation of machine properly.The ANSYS software has been used to simulate the multi-physical field and coupling analysis to show the change of temperature caused by flow field in the air gap and the wind mill of high speed motor loss,and got the rise and change of the temperature of stator windings.Finally,the change of temperature of the stator and rotor and the winding has been compared according to the different speed,then the influence of the rotational speed to temperature rise has been obtained.【总页数】5页(P31-34,41)【作者】兰志勇;王琳;焦石;魏雪环;陈麟红【作者单位】湘潭大学,湘潭411105;湘潭大学,湘潭411105;湘潭大学,湘潭411105;湘潭大学,湘潭411105;湘潭大学,湘潭411105【正文语种】中文【中图分类】TM341;TM351【相关文献】1.永磁同步电主轴内部流场与温度场耦合分析 [J], 于慎波;任春雨;钟双双;夏鹏彭2.绕线方式对永磁同步电动机温度场的影响分析 [J], 王越;张学义;史立伟;尤迪;王颖3.电动车用永磁同步电动机温度场仿真与实验分析 [J], 魏丹;付雅军;段敏4.大功率盘式交流永磁同步电机温度场流场耦合分析 [J], 陈起旭;周阳;杨来顺;王云洪;曹秉刚5.基于三维有限元法U型单相自起动永磁同步电机涡流场与温度场的分析计算 [J], 付敏;邹继斌;魏静薇;丁树业因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
永磁同步电机热分析研究综述
永磁同步电机热分析研究综述对永磁同步电机的损耗和温度场进行研究综述。
对永磁同步电机的热分析研究进行综述，并介绍了永磁同步电机中的重要损耗。
本文对比了解析法和数值法两种不同类型的热分析法，并考虑了每种方法的优缺点，同时对各种散热形式作了介绍.标签：永磁同步电机；磁损耗；热分析1 引言现如今由于客户对高效率、小型化、紧凑型电机的需求日益上升[1]，对设计者来说电机的温度场设计变得更具有挑战性。
过去的电机温度场设计看起来并不重要并且易于实现，这些结论是通过比较一定数量的电机电磁设计与温度场设计文献得出的。
其原因显而易见，电机设计者是电气工程专业，而温度场设计领域与机械工程有关。
电机的热分析比电磁设计更为复杂。
一个电机的热场模型与制造过程直接相关；与电磁设计相比，电机的热分析始终是一个三维问题。
在某些热力学现象中，电机的热现象不能用纯粹的数学关系来描述[2-3]。
本文的主要目的是介绍永磁辅助式同步磁阻电机中的损耗，并对电机的热分析方法和电机散热进行介绍，为永磁电机热分析提供基础。
2.损耗永磁同步电机中的损耗主要分为三类：定子铜损、铁芯损耗和磁损耗。
定子铜耗由交流部分和直流部分两部分组成。
直流部分的损耗包括温度对绕组电阻增大的影响，交流部分的损耗包括趋肤效应和邻近效应。
高速电机以及有变频器的绕组式电机中直流部分的损耗更为显著。
减少交流中铜耗量有两种方法：使用绞线或分裂子导线。
迄今为止许多研究课题都在处理铁耗这一复杂的问题。
最常见的原则有两项法和三项法，此类方法都基于斯坦梅茨和贝尔托蒂的早期工作。
两项法把铁芯损耗分为两类，即磁滞损耗（静态损耗）和涡流损耗（动态损耗）。
磁损耗是磁体中由于线槽旋转、电源或其它几何效应产生的高次谐波磁通所感应的磁场涡流引起的。
2 热场分析方法2.1 基于集总参数的热分析。
集总参数热网络（LPTN）分析法用于计算来自电机不同部位的热传递与热流动，这种解析方法的优点是计算速度快。
因此用这种方法计算热场电路中不同部位的温度用时短。
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
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
分段式永磁直线同步电机温度场分析
Ｌ ｏ ａ ｇ Ｉ ｓｉ ｔ ｆ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｉ ｎ ｅ ｕ ｙ ｎ ｎ ｔｔ ｅ ｏ ｃ ｎ ｌ ｇ ｎ ｃ ｅ ｃ ｕ Ｔ
摘
要： 以分段 式永 磁直 线同步 电机为研 究对 象 ，
４初 级 绕 组
５齿
图２ １ｍ高分段式永磁直线同步电动机单台电机结构 ０
为了简化数值分析， 作出如下假设：
（） １ 不考虑由于直线电机的发热对周围室温 的影响， 室温保持恒定；
３ ２ １ 年第 ５ 《 机技 术》 ０・ ０ ０ 期 电
研究与交菠
（） ２ 直线 电机模 型几何分布和 损耗分布对 称， 考虑到结构的对称性 ， 中心面和齿 中心面 槽 被认为是绝热面； （） ３ 端部绕组等效为直线绕组 ；
流 过 相 同的 电流 ；
电机温度的分布， 最高温度 出现在 第２ 号槽中部 ４
附近 ， 约为８ ￣。 ３ 为了更直观 的看出温度变化 ， Ｃ 图 ４ 表示直线电机等温线分布。
薄， 将槽 中的材料当作整 体来考虑 ， 其导热系数 用等效导热 系数来计算 ， 其比热容用等效 比热 容
来计算 。
以它 的发 热 问题也 越 来 越 引起 人们 的重 视 。
１ 电机数学模 型的建 立
本文研究的ｌｍ Ｏ 高分段式永磁直线同步电动
机是用于垂 直提升系统， 整个系统的结构由定子 （ 电枢绕组 ） 动子 （ 、 次级 ） 和提升容器组成 。 动
・
１ 级 轭部 次
２永磁 体
３初 级轭 部
图１ 分 段 式 永磁 直 线 同步 电动 机垂 直 运输 系 统 示意 图
ｌ ｍ高分段 式永磁 直线同步 电动机 对于整 ０ 个分段式系统而言， 原理上近似于长初级、 短次 级永磁直线同步电动机 。 但是整个系统由１台电 ０ 机组成 ， ０ 这１ 台电机在结 构上相同， 论上说它 理
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。
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析
调速永磁同步电动机的电磁设计与磁场分析电磁设计是指针对给定的电机参数要求，确定合理的线圈结构、磁场分布和磁路特性等方面的技术设计过程。
其目标是在满足规定的机械特性、电磁特性和工艺要求的前提下，使电机具有最佳的效率、功率因数和转矩密度等性能。
首先，需要确定合适的线圈结构。
根据电机的功率、转速和负载要求等参数，选择合适的线圈类型、匝数和截面形状等。
其中，多层绕组结构可以提高电机的功率密度，而单层绕组更易于制造，降低了制造成本。
其次，需要进行磁场分析。
通过计算机仿真软件或有限元方法，建立电机的磁场模型，分析电机各部分的磁场分布和特性。
磁场分析主要包括磁感应强度、磁通分布、磁势能、磁压力等参数。
通过优化磁场分布，可以提高电机的转矩密度和效率。
磁场分析的过程中，还需要进行磁路设计。
磁路设计包括永磁体的选型和磁路结构的设计。
永磁体的选型要考虑其磁化特性、矫顽力和温度稳定性等因素，以满足电机对磁场的高稳定性和大转矩要求。
磁路结构的设计要优化磁路的传导能力和磁阻损耗，以减小电机的铜损和磁铁损耗，提高电机的效率。
另外，还需要考虑绕组的热设计。
在电磁设计和磁场分析的基础上，进行绕组的热分析和散热设计。
通过合理的冷却措施和散热结构的设计，避免电机过热，保证电机的可靠运行。
同时，绕组的电磁阻抗特性和电磁噪声也是电磁设计和磁场分析的重要考虑因素。
通过优化线圈结构和绕组的布局方式，可以减小电机的电磁阻抗和电磁噪声，提高电机的工作效果和可靠性。
总之，调速永磁同步电动机的电磁设计和磁场分析是确保电机性能的重要环节。
通过合理的线圈结构、磁场分布和磁路特性等技术设计，可以提高电机的效率、功率因数和转矩密度等性能指标，满足电机在不同应用领域的要求。
同时，绕组的热设计、电磁阻抗特性和电磁噪声等问题也需要合理考虑，以确保电机的可靠工作。
永磁同步电梯的检验方法及电机温升分析
永磁同步电梯的检验方法及电机温升分析一、导言在现代经济和社会生活中，电梯已经成为不可或缺的一部分，它的安全可靠运行，对整个社会起着重要的作用。
永磁同步曳引机具有优良的低速，大转矩特性，被广泛应用在电梯中。
本文就永磁同步电梯的检验方法及电机温升特性展开探究。
二、永磁同电动机特点永磁同步电动机的定子与一般的异步电机几乎相同，其转子结构与异步电机的转子相比多了一套永磁体，其结构随永磁材料性能不同和应用领域的差异而不同。
由于剩磁密度Br和矫顽力Hc等技术参数的不同，磁极结构有所不同。
电梯技术上应用的稀土永磁同步电机常做成瓦片式，贴在转子的表面，或嵌在转子铁心中，分内转子型和外转子型两种。
此外，永磁同步曳引系统没有减速箱，不存在机械摩擦、机械振動、齿廓磨损产生的噪声，没有漏油和废弃油的处理问题。
整机的噪音降低，无齿轮曳引无齿廓磨损问题，可以做到少维护或免维护。
三、永磁同步电机的检验方法（一）检验类型与流程1/ 5随着时代的发展，电梯的检验工作越来越受到人们的关注。
电梯检验是指对的安全运行状况进行检验检查，排除安全隐患，确保乘客的安全。
永磁同步电梯检验依据《电梯监督检验和定期检验规则一曳引与强制驱动电梯》。
通常的电梯检验分为监督检验和定期检验。
监督检验是指由国家质量监督检验检疫总局核准的特种设备检验检测机构，根据《电梯监督检验和定期检验规则曳引与强制驱动电梯》规定，对电梯安装、改造、重大维修过程进行的监督检验。
定期检验是指检验机构根据本细则规定，对在用电梯定期进行的检验。
检验的基本程序是：检验申请的受理一检验准备一现场检验一出具《特种设备检验意见通知书》（包括缺陷及其处理和检验结果汇总）一出具检验报告、《特种设备检验合格》标志一资料归档。
（二）现场检验现场检验主要包含以下几个方面：紧急照明和报警装置的检验：当电梯内正常照明电源出现故障时，能够自动接通紧急照明电源；紧急报警装置应采用对讲系统以便与救援人员随时保持联系；运行检验：电梯分别空载、满载时以正常的运行速度上行、下行时，楼层显示信号系统正常指示、无异常现象发生；电梯速度检验：当对电动机施以额定电压时，将电梯测速仪放入轿厢内，全程上、下运行。
永磁同步电机设计参数-概述说明以及解释
永磁同步电机设计参数-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述:永磁同步电机作为一种高效、节能的电机类型，在各种应用领域备受关注。
其设计参数的选择对电机性能和效率有着重要影响。
因此，本文旨在探讨永磁同步电机设计参数的优化方法，以提高电机的性能和效率。
首先，我们将介绍永磁同步电机的工作原理和结构特点，包括永磁材料的选择、定子和转子的设计等方面。
然后，我们将重点讨论永磁同步电机设计中的关键要点，如磁场分布、转矩性能、效率等方面，以帮助读者深入了解设计参数的重要性。
接着，我们将介绍设计参数优化的方法，包括仿真分析、实验验证、优化算法等方面。
这些方法将有助于工程师们更好地设计永磁同步电机，提高其性能指标。
最后，我们将总结本文的主要观点，并展望未来研究的方向，以期为永磁同步电机设计和应用提供有益的参考。
通过对设计参数的深入研究和优化，我们有信心能够进一步提升永磁同步电机的性能和效率，推动其在各个领域的广泛应用。
1.2 文章结构：本文分为引言、正文和结论三个部分。
在引言部分，将对永磁同步电机设计参数进行概述，介绍文章的结构以及研究目的。
在正文部分，将详细讨论永磁同步电机设计参数的概述，关键设计要点以及设计参数优化方法。
最后在结论部分，对全文进行总结，分析设计参数对性能的影响，并展望未来研究方向。
通过这样的结构，读者将对永磁同步电机设计参数有一个更深入的了解，为相关领域的研究工作提供参考和指导。
1.3 目的：本文旨在探讨永磁同步电机设计参数对其性能影响的关键因素，通过对设计参数的优化方法和关键设计要点的详细分析，帮助读者更好地了解永磁同步电机的设计过程，提高电机的性能和效率。
同时，通过对设计参数对性能的影响进行总结和展望未来研究方向，有助于推动永磁同步电机在工业和汽车领域的应用和发展，促进清洁能源技术的进步和普及。
2.正文2.1 永磁同步电机设计参数概述永磁同步电机是一种高效、节能且性能优越的电动机，在现代工业生产中得到广泛应用。
高速永磁同步电机转子瞬态温度场分析
高速永磁同步电机转子瞬态温度场分析摘要：高速永磁同步电机与传统电机相比可直接驱动高速负载，省去了机械传动装置，避免了传动装置引起的损耗、机械振动和噪声，不但减小传动系统链，而且系统提高工作效率和运行精度。
高速永磁同步电机的电磁损耗和空气摩擦损耗比普通电机要大，且转子的高速与高功率密度导致转子单位体积内的损耗增加，因此温升过高成了永磁转子设计中的难点。
目前，高速电机中普遍使用的钕铁硼永磁体对温度比较敏感，转子温升直接降低永磁体的磁性能，甚至使永磁体不可逆失磁，从而影响电机性能。
因此为保证电机具有良好性能，有必要对转子部分温度场分析。
关键词：高速永磁同步电机；转子；瞬态温度场分析1 概述高速永同步磁电机在高速状态运行的过程中会产生一些问题，出现转子承受很大的离心力、转轴磨损严重等机械类的问题，而且电机内高频磁场引起定子铁心附加损耗和转子涡流损耗大幅度增加，电机内的温度升高，同时受温度影响永磁体性能会降低；如果转子散热条件不好，过高的温度将导致永磁体不可逆退磁，严重地导致电机无法运行。
因高速永磁电机转子本身含有内热源，转子温度场的预测可以归结到求解瞬态的含内热源的传热方程。
当永磁体为圆筒形或者圆柱形时，采用解析解求解温度场成为可能。
虽然对于几何形状及边界条件都比较简单的问题可以获得解析解，但是求解特殊几何结构和边界条件下的解析解仍然充满着挑战。
对于多层圆筒（径向方向套接）的二维瞬态温度场，当圆筒端面为绝热时的解析解已被较早地研究过，采用分离变量法求解了单层和双层气缸的温度场。
当圆筒端面为恒温时或一端恒温、一端绝热时，X.Lu采用一种新颖的分离变量法获得了其瞬态温度场解析解。
这种新颖的分离变量法与Laplace变换结合起来求解了多层圆盘（轴向叠加）的瞬态温度场，其中圆盘上下表面（轴向）为对流换热边界条件，侧面为恒温边界条件。
当处理含有内热源的瞬态传热方程时，目前有两种方法可以借鉴：有限积分变换法和基于分离变量法的“拆分法”。
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。
高功率密度永磁同步电动机散热设计及热场分析
Ｈ ｙ Ｐｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎｔ Ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ Ｓｙ ｎｃ ｈｒ ｏ ｎｏ ｕｓ Ｍｏ ｔ ｏ ｒ Ｔｈｅ ｒ ｍａ ｌ Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ａｎ ｄ Ｔｈｅ ｒ ｍａ ｌ Ｆｉ ｅ ｌ ｄ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
明， 电机发热计算及热场分 析准确 ， 冷却结构设计合理 。 关键词 ： 高功率 密度 ； 永磁 同步 电动机 ； 散热设计 ； 热场分析
中图分类号 ： Ｔ Ｍ３ ５ １ ； Ｔ Ｍ３ ４ １ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： １ ０ ０ ４ － ７ ０ １ ８ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ — ０ ０ ２ ３ — ０ ２
积上输 出功率大 的同时 ， 发热量大 ， 导致整机温 升严重 ， 合理 的散热设计对高功 率密度 电动机至关重 要。先计算 电
动 机 额 定 负 载 运 行 时 的各 种 损 耗 值 ， 分析电机温升特点 ， 再 合 理地 设 计 电 机 的 冷 却 结 构 ， 最 后 对 电机 进 行 热 场 仿 真 分 析 。以 一 台 ２ １ ｋ Ｗ、 ｌ １ ０ ０ ０ ｒ ／ ｍ ｉ ｎ 航 空 油 泵 电 机设 计 为 例 ， 对 电机 进 行 了散 热结 构 设 计 及 热 场 分 析 。试 验 数 据 表
ｈ ｅ ａ ｔ ｉ ｎ ｇ ｃ ａ ｌ ｃ ｕ ｌ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ， ｔ ｈ ｅ ｍ ａ ｒ ｌ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ， ａ ｎ ｄ ｃ ｏ ｏ ｌ ｉ ｎｇ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｓ ｒ ｅ ａ ｓ ｏ ｎ ａ ｂｌ ｅ． Ｋｅ ｙ ｗｏｒ ｄ ｓ： ｈｉ ｇ ｈ ｐｏ ｗｅ ｒ ｄｅ ｎｓ ｉ ｔ ｙ； ｐ ｅ ｍ ａ ｒ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎｅ ｔ ｓ ｙ ｎｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｍｏ ｔ ｏ ｒ； ｔ ｈｅ ｒ ｍａ ｌ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇｎ； ｔ ｈ ｅ ｒｍ ａ ｌ ｉｅ ｆ ｌ ｄ ａ ｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
商务车用高效永磁驱动电机的设计与温度场计算
商务车用高效永磁驱动电机的设计与温度场计算驱动电机作为电动汽车的核心组件,要求其具有较高的功率密度、较宽的调速范围、较大的过载能力等,这些高性能的要求都需要通过对驱动电机及其系统的电磁设计和控制来实现。
在各种车用驱动电机中,内置式永磁驱动电机以其效率高、调速性能好、功率密度高等优势成为车用驱动电机的首选方案。
本文以一台商务车用80kW永磁驱动电机为例,对车用永磁驱动电机的电磁设计、结构性能优化及温度场分析进行了研究,主要包括以下内容:首先,分析车用永磁驱动电机的设计目标,根据永磁电机的设计理论,从电机的d、q轴磁路设计入手,通过理论研究分析了影响永磁电机过载能力、调速范围的因素,计算了永磁驱动电机的定子、转子尺寸。
然后利用有限元电磁场计算软件,建立永磁驱动电机的二维有限元仿真模型,计算电机在空载和带载工况下的电磁性能。
其次,对定子、转子拓扑结构进行优化,从d、q轴电感、凸极率等方面研究不同定、转子磁路结构对电机性能的影响。
首先分析并计算定子参数(齿槽比、齿轭比)变化对电机磁阻转矩、过载能力和弱磁能力的影响;然后又分析计算了转子拓扑结构参数(包括V型磁钢夹角、磁钢宽度、磁钢厚度以及隔磁桥宽度和厚度)对电机峰值转矩和磁钢利用率的影响,进而得到满足设计目标的最优定子、转子拓扑结构,并与优化前的电机性能进行了对比。
然后,依据传热学基本理论,结合电磁场计算的电机损耗值,利用软件建立了电机的热网络仿真模型,计算了电机主要部件在额定稳态工况和峰值瞬态工况下的温升,并与实验测试数据进行了对比分析。
随后,对电机的最大退磁电流,转子受力与变形量进行了仿真和校核计算,均满足预期的设计目标值。
最后,完成了实验样机的制造,并搭建了电机测试实验平台,实测了样机在不同工况下的电机性能和温升数值,并与仿真结果进行了对比,验证了有限元设计的准确性和可行性。
实验结果表明,V型内置式永磁驱动电机具有转矩电流比高、弱磁能力强的优点,在电动汽车的驱动应用中具有很好的应用前景。
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永磁同步电机的设计与温度场分析解释
发表时间：2017-12-28T15:40:27.947Z 来源：《防护工程》2017年第22期作者：吴兴刚
[导读] 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。
浙江省嘉兴市博远机电嘉兴有限公司浙江省嘉兴 314001
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。
2.1.4 防爆
天然气是极易发生燃烧爆炸的气体，所以对电机要进行防爆措施，选择合适的材料以及防爆等级。
2.1.5 冷却
中小功率电机一般是利用空气进行通风冷却，但随着单机容量的增加，大功率高速电机的散热面积和风路安排受到诸多限制，使通风冷却较为困难。
所以，为了保证电机温升不超过允许值，需要用不同的冷却方式和通风系统。
一般采用水风混合冷却，即内循环冷却采用水冷，外循环冷却采用风冷。
3 永磁同步电动机的控制策略
任何电动机的电磁转矩都是由主磁场和电枢磁场相互作用产生的。
直流电动机的主磁场和电枢磁场在空间互差90°，因此可以独立调节；交流电机的主磁场和电枢磁场互不垂直，互相影响。
交流电动机的转矩控制性能较差。
目前的永磁同步电动机的控制方式有矢量控制、直接转矩控制等方案。
3.1 矢量控制
高性能的交流调速系统需要现代控制理论的支持，对于交流电动机，目前使用最广泛的当属矢量控制方案。
自1971年德国西门子公司F．Blaschke提出矢量控制原理，该控制方案就倍受青睐。
矢量控制的基本思想是：在普通的三相交流电动机上模拟直流电机转矩的控制规律，磁场定向坐标通过矢量变换，将三相交流电动机的定子电流分解成励磁电流分量和转矩电流分量，并使这两个分量相互垂直，彼此独立，然后分别调节，以获得像直流电动机一样良好的动态特性。
因此矢量控制的关键在于对定子电流幅值和空间位置(频率和相位)的控制。
矢量控制的目的是改善转矩控制性能，最终的实施是对id，iq的控制。
3.2直接转矩控制
矢量控制方案是一种有效的交流伺服电动机控制方案。
但因其需要复杂的矢量旋转变换，而且电动机的机械常数低于电磁常数，所以不能迅速地响应矢量控制中的转矩。
针对矢量控制的这一缺点，德国学者Depenbrock于上世纪80年代提出了一种具有快速转矩响应特性的控制方案，即直接转矩控制(DTC)。
该控制方案摒弃了矢量控制中解耦的控制思想及电流反馈环节，采取定子磁链定向的方法，利用离散的两点式控制直接对电动机的定子磁链和转矩进行调节，具有结构简单，转矩响应快等优点。
DTC最早用于感应电动机，1997年L Zhong等人对DTC算法进行改造，将其用于永磁同步电动机控制，目前已有相关的仿真和实验研究。
DTC方法实现磁链和转矩的双闭环控制。
在得到电动机的磁链和转矩值后，即可对永磁同步电动机进行DTC。
给出永磁同步电机的DTC方案结构框图。
它由永磁同步电动机、逆变器、转矩估算、磁链估算及电压矢量切换开关表等环节组成，其中ud，uq，id，iq为静止(d，q)坐标系下电压、电流分量。
通过实际工程应用，永磁同步电动机在不需要精确定位的场合采用直接转矩控制即可实现永磁同步电动机的正常运行。
而当永磁同步
电动机应用于机床等需要定位精度较高的场合时，采用矢量控制更为合适。
4 永磁同步电动机中温度分布
利用二维和三维的软件对永磁同步电动机的温度场分析发现，永磁同步电动机的发热主要来源于定子部分，而转子部分基本不发热。
但由于转子采用隔磁处理，采用某些不到热材料后会导致定子的发热传递到转子永磁体上，使转子温度升高，永磁体的磁性能降低。
因此在设计永磁同步电动机的转子时，应避免使用不到热材料。
同时由于齿槽效应的影响，在转子表面温度分布较高，故应增大定转子气隙以降低齿槽效应影响，甚至在大功率永磁同步电动机中增加转子通风结构。
避免永磁体发热而影响磁性能。
5 结论
永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，尺寸小、外形灵活多样，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度，但由于永磁体价格较高，合理的设计永磁同步电动机尤为关键。
在节约能源和环境保护日益受到重视的今天，对永磁同步电动机的设计、及应用研究就显得非常必要。
参考文献：
[1]李伟力, 仝世伟, 程鹏. 离网型永磁同步发电机电磁场和温度场数值计算与分析[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(30):107-113.
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[3]和伟超. 电动汽车用永磁同步电机水冷系统设计及温升分析[D]. 浙江大学, 2013.。