变频控制下永磁同步电机温度场分析
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综上所述，已有文献中对中小型电机内温升方 面的研究工作主要集中在二维温度场的分析计算， 采用流热耦合方法对包含形状复杂的接线盒及散 热翅的中小型 PMSM 三维温度场及流体场的研究 还鲜见报道。
本文以一台 50 kW 表贴式永磁同步驱动电机为 例，建立包含电机散热翅及接线盒等结构在内的三 维物理模型，基于流–热协同机理对电机内温度场 及流体场进行了数值计算，得到了变频控制下永磁 电动机内三维温度分布及流体流动特性，并搭建电 机实验平台，进行电机温升实验，得到了详细的实 验数据。本文着重分析了电机主要部件的温升分布 特性，且与实验数据进行了对比分析，验证了其计 算结果的准确性与求解方法的正确性。
流体流动受到物理守恒定律的支配，由流体力 学及传热学基本原理可知，电机内流体的流动与传 热满足质量、动量以及能量守恒定则，当流体为不 可压缩且处于稳定流动状态时，相应的三维控制方 程[23]可简化表示为
div(ρuφ) = div(Γ gradφ) + S
(2)
本文以一台 50 kW 永磁双轴伸同步驱动电机为 分析对象，对其在变频控制情况下电机内温升及流 体流动进行了强耦合数值计算，电机的基本设计参 数如表 1 所示。
变频控制下永磁同步电机温度场分析
丁树业 1，郭保成 1，冯海军 2，章艺 2，王海涛 1，郭长光 1
(1．哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江省 哈尔滨市 150080； 2．中船重工 704 研究所，上海市 徐汇区 200031)
Temperature Field Investigation of Permanent Magnet Synchronous Motors Controlled by the Frequency Conversion Control System
DING Shuye1, GUO Baocheng1, FENG Haijun2, ZHANG Yi2, WANG Haitao1, GUO Changguang1
(1. College of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, Heilongjiang
50 kW 永磁同步电机为例，基于计算流体力学以及传热传质 学基本理论，根据共轭传热原理，建立包含形状复杂的散热 翅及接线盒等结构部件的三维流动与传热的物理模型。应用 有限体积元法，对变频供电情况下的永磁同步驱动电机内各 部件温升及流体流动进行了数值求解，并着重分析了电机内 主要结构部件的温升空间分布特性。通过与实验数据的对比 分析，验证了其计算结果的准确性以及求解方法的合理性， 为中小型永磁同步驱动电机的设计提供一定的参考和实际 工程价值。
摘要：在变频控制下的永磁同步电机谐波含量大、发热严重， 且散热结构复杂。为研究其温升分布规律，该文以一台
基金项目：国家自然科学基金项目(51277045)；黑龙江省自然科学 基金(QC2012C109)；黑龙江省教育厅基金项目(12531112)；哈尔滨理工 大学青年拔尖创新人才科学基金项目(201301)。
KEY WORDS: permanent magnet synchronous motor (PMSM); frequency conversion control; liquid-solid conjugate heat transfer; three-dimensional temperature field
1 电机参数
表 1 电机参数 Tab. 1 Design parameters of the motor
额定电压/ V 380
额定频率/ Hz 50
额定功率/ kW 50
额定转速/ 外风机流量/
(r/min)
(m3/h)
1 500
790
得到其基本损耗分布，如表 2 所示。
表 2 变频供电状态下电机损耗及分布
近年来，国内外的一些专家学者采用集中参数 热网络法[5]、有限元法[6-10]或有限体积元法[11-14]， 对感应电机[6-10]、核主泵屏蔽电机[11]、大型风力永
第9期
丁树业等：变频控制下永磁同步电机温度场分析
1369
磁发电机[12-13]等进行了二维[6-10]或三维[11-13]的温升 特性研究。李伟力等以小型感应电机为例，采用有 限元方法，对电机定子[6]及定转子全域[7-8]进行了二 维温度场计算，分析了气隙温度和机壳表面散热翅 的变化对定转子温升的影响；Y. J. Liu 等采用耦合 的热网络法及有限元法，进行了感应电机转子稳态 三维温度场、热应力场的分析[9]；J. Xypteras 将定 转子之间的气隙作为一静止的导热介质，给出了相 应的导热系数，将电机定转子二维温度场作为一个 整体进行了联合求解[10]；丁树业等采用有限体积法 对大型核主泵屏蔽电机[11]、永磁风力发电机[12-13] 的三维温度场与流体场进行了耦合计算，对大型电 机在不同工作环境[11-12]、不同工况情况下[12-13]的温 度场行了数值分析。
Province, China; 2. 704 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Xuhui District, Shanghai 200031, China)
ABSTRACT: The problems of harmonics and the heat of permanent magnet synchronous motors (PMSMs) are quite large when operating under the frequency conversion control system. The cooling structure of PMSM is usually complex. To research the temperature distribution of PMSM, a 50 kW surface PMSM was taken as a research object in this paper, based on the computational fluid dynamics (CFD) and the numerical heat transfer theory. A three dimensional fluid flow and heat transfer model including components such as the complex fins, and the connecting box was set up by using a liquid-solid conjugate heat transfer approach. Thus, the temperature and fluid field of PMSM, operating under frequency conversion control, was simulated numerically using the finite volume method, and the spatial temperature distributing characteristics of main components were analyzed. The correctness of the proposed model and the rationality of the solution method were verified by the thermal test of PMSM. This paper has a reference value and significant guideline for PMSM design.
第 34 卷 第 9 期 2014 年 3 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.34 No.9 Mar.25, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 1368
Biblioteka Baidu
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.09.007 文章编号：0258-8013 (2014) 09-1368-08 中图分类号：TM 341；TM 351
Tab. 2 Loss distribution of motor
W
位置分布 定子铜耗 定子铁耗 永磁体涡流损耗 转子铁耗 杂散损耗
损耗
718
857
374
135 291.67
2 模型确定及求解条件
2.1 数学模型 针对永磁驱动电机三维稳态温度场及流体场
进行数值研究。由传热学基本原理可知，对稳态温 度场进行求解时，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[21-22]可以表示为 如下形式：
考虑变频器谐波对电机内损耗的影响，采用有 限元法对额定工况下电机内电磁场进行仿真计算，
式中：φ 为通用变量；ρ 为流体密度，kg/m3；Γ 为 扩展系数；S 为源项。 2.2 基本假设
PMSM 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 出以下基本假设[6-10,24-25]：
⎧∂
⎪ ⎪
∂x
(kx
∂T ∂x
)
+
∂ ∂y
(ky
∂T ∂y
)
+
∂ ∂z
(kz
∂T ∂z
)
=
−q,
⎪⎪
⎨ ∂T
⎪ ⎪
∂n
=
0,
(x, y, z) ∈ Ω (1)
(x, y, z) ∈ 绝热面
⎪⎪⎩−k
∂T ∂n
= α (T
− Tf
),
(x, y, z) ∈散热面
式中：T 为固体待求温度，K；kx、ky、kz 分别为求 解域内各种材料沿 x、y 以及 z 方向的导热系数， W/(m⋅K)；q 为求解域内各热源体密度之和，W/m3； α 为散热表面的散热系数，W/(m2⋅K)；Tf 为散热面 周围流体的温度，K。
为掌握电机内冷却介质的流动情况，通常采用 有限体积法对温度场与流体场进行耦合计算[11-20]。 一些专家学者对水轮发电机[14-15]和汽轮发电机[16-18] 内定子[14-15,17]、定子通风沟[14,17]及转子[18]内冷却介 质流动情况进行了计算分析；文献[19-20]对永磁风 力发电机内流体流动及传热性能进行了研究，具有 一定的参考价值。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51277045); Project Supported by Heilongjiang Provincial Natural Science Foundation of China (QC2012C109); Project Supported by Heilongjiang Provincial Education Foundation (12531112); Project Supported by Top Young Innovative Talents of HUST Foundation (201301).
关键词：永磁同步电机；变频控制；共轭传热；三维温度场
0 引言
永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)与传统电励磁电机相比，具有结构 简单、可靠性强、效率高等诸多优点，因此 PMSM 被广泛应用于能源、交通、石油、化工等各个领 域[1-2]。对可靠性要求较高的小型船舶而言，PMSM 的优势更为明显[2]。然而，由于船舶用电机的工作 环境及工作要求的特殊性，常采用变频控制对 PMSM 进行供电[3]。变频供电情况下，PMSM 磁场 中谐波含量大，因此产生大量的涡流损耗和谐波铁 耗，导致电机运行时温升过高。电机内温度过高会 导致永磁材料退磁现象的产生，而永磁体电磁性能 又直接影响电机效率、使用寿命及运行可靠性等[4]。 因此，准确分析并掌握永磁驱动电机内温度分布规 律具有一定的理论与实际工程价值。
本文以一台 50 kW 表贴式永磁同步驱动电机为 例，建立包含电机散热翅及接线盒等结构在内的三 维物理模型，基于流–热协同机理对电机内温度场 及流体场进行了数值计算，得到了变频控制下永磁 电动机内三维温度分布及流体流动特性，并搭建电 机实验平台，进行电机温升实验，得到了详细的实 验数据。本文着重分析了电机主要部件的温升分布 特性，且与实验数据进行了对比分析，验证了其计 算结果的准确性与求解方法的正确性。
流体流动受到物理守恒定律的支配，由流体力 学及传热学基本原理可知，电机内流体的流动与传 热满足质量、动量以及能量守恒定则，当流体为不 可压缩且处于稳定流动状态时，相应的三维控制方 程[23]可简化表示为
div(ρuφ) = div(Γ gradφ) + S
(2)
本文以一台 50 kW 永磁双轴伸同步驱动电机为 分析对象，对其在变频控制情况下电机内温升及流 体流动进行了强耦合数值计算，电机的基本设计参 数如表 1 所示。
变频控制下永磁同步电机温度场分析
丁树业 1，郭保成 1，冯海军 2，章艺 2，王海涛 1，郭长光 1
(1．哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江省 哈尔滨市 150080； 2．中船重工 704 研究所，上海市 徐汇区 200031)
Temperature Field Investigation of Permanent Magnet Synchronous Motors Controlled by the Frequency Conversion Control System
DING Shuye1, GUO Baocheng1, FENG Haijun2, ZHANG Yi2, WANG Haitao1, GUO Changguang1
(1. College of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, Heilongjiang
50 kW 永磁同步电机为例，基于计算流体力学以及传热传质 学基本理论，根据共轭传热原理，建立包含形状复杂的散热 翅及接线盒等结构部件的三维流动与传热的物理模型。应用 有限体积元法，对变频供电情况下的永磁同步驱动电机内各 部件温升及流体流动进行了数值求解，并着重分析了电机内 主要结构部件的温升空间分布特性。通过与实验数据的对比 分析，验证了其计算结果的准确性以及求解方法的合理性， 为中小型永磁同步驱动电机的设计提供一定的参考和实际 工程价值。
摘要：在变频控制下的永磁同步电机谐波含量大、发热严重， 且散热结构复杂。为研究其温升分布规律，该文以一台
基金项目：国家自然科学基金项目(51277045)；黑龙江省自然科学 基金(QC2012C109)；黑龙江省教育厅基金项目(12531112)；哈尔滨理工 大学青年拔尖创新人才科学基金项目(201301)。
KEY WORDS: permanent magnet synchronous motor (PMSM); frequency conversion control; liquid-solid conjugate heat transfer; three-dimensional temperature field
1 电机参数
表 1 电机参数 Tab. 1 Design parameters of the motor
额定电压/ V 380
额定频率/ Hz 50
额定功率/ kW 50
额定转速/ 外风机流量/
(r/min)
(m3/h)
1 500
790
得到其基本损耗分布，如表 2 所示。
表 2 变频供电状态下电机损耗及分布
近年来，国内外的一些专家学者采用集中参数 热网络法[5]、有限元法[6-10]或有限体积元法[11-14]， 对感应电机[6-10]、核主泵屏蔽电机[11]、大型风力永
第9期
丁树业等：变频控制下永磁同步电机温度场分析
1369
磁发电机[12-13]等进行了二维[6-10]或三维[11-13]的温升 特性研究。李伟力等以小型感应电机为例，采用有 限元方法，对电机定子[6]及定转子全域[7-8]进行了二 维温度场计算，分析了气隙温度和机壳表面散热翅 的变化对定转子温升的影响；Y. J. Liu 等采用耦合 的热网络法及有限元法，进行了感应电机转子稳态 三维温度场、热应力场的分析[9]；J. Xypteras 将定 转子之间的气隙作为一静止的导热介质，给出了相 应的导热系数，将电机定转子二维温度场作为一个 整体进行了联合求解[10]；丁树业等采用有限体积法 对大型核主泵屏蔽电机[11]、永磁风力发电机[12-13] 的三维温度场与流体场进行了耦合计算，对大型电 机在不同工作环境[11-12]、不同工况情况下[12-13]的温 度场行了数值分析。
Province, China; 2. 704 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Xuhui District, Shanghai 200031, China)
ABSTRACT: The problems of harmonics and the heat of permanent magnet synchronous motors (PMSMs) are quite large when operating under the frequency conversion control system. The cooling structure of PMSM is usually complex. To research the temperature distribution of PMSM, a 50 kW surface PMSM was taken as a research object in this paper, based on the computational fluid dynamics (CFD) and the numerical heat transfer theory. A three dimensional fluid flow and heat transfer model including components such as the complex fins, and the connecting box was set up by using a liquid-solid conjugate heat transfer approach. Thus, the temperature and fluid field of PMSM, operating under frequency conversion control, was simulated numerically using the finite volume method, and the spatial temperature distributing characteristics of main components were analyzed. The correctness of the proposed model and the rationality of the solution method were verified by the thermal test of PMSM. This paper has a reference value and significant guideline for PMSM design.
第 34 卷 第 9 期 2014 年 3 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.34 No.9 Mar.25, 2014 ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 1368
Biblioteka Baidu
DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.09.007 文章编号：0258-8013 (2014) 09-1368-08 中图分类号：TM 341；TM 351
Tab. 2 Loss distribution of motor
W
位置分布 定子铜耗 定子铁耗 永磁体涡流损耗 转子铁耗 杂散损耗
损耗
718
857
374
135 291.67
2 模型确定及求解条件
2.1 数学模型 针对永磁驱动电机三维稳态温度场及流体场
进行数值研究。由传热学基本原理可知，对稳态温 度场进行求解时，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[21-22]可以表示为 如下形式：
考虑变频器谐波对电机内损耗的影响，采用有 限元法对额定工况下电机内电磁场进行仿真计算，
式中：φ 为通用变量；ρ 为流体密度，kg/m3；Γ 为 扩展系数；S 为源项。 2.2 基本假设
PMSM 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 出以下基本假设[6-10,24-25]：
⎧∂
⎪ ⎪
∂x
(kx
∂T ∂x
)
+
∂ ∂y
(ky
∂T ∂y
)
+
∂ ∂z
(kz
∂T ∂z
)
=
−q,
⎪⎪
⎨ ∂T
⎪ ⎪
∂n
=
0,
(x, y, z) ∈ Ω (1)
(x, y, z) ∈ 绝热面
⎪⎪⎩−k
∂T ∂n
= α (T
− Tf
),
(x, y, z) ∈散热面
式中：T 为固体待求温度，K；kx、ky、kz 分别为求 解域内各种材料沿 x、y 以及 z 方向的导热系数， W/(m⋅K)；q 为求解域内各热源体密度之和，W/m3； α 为散热表面的散热系数，W/(m2⋅K)；Tf 为散热面 周围流体的温度，K。
为掌握电机内冷却介质的流动情况，通常采用 有限体积法对温度场与流体场进行耦合计算[11-20]。 一些专家学者对水轮发电机[14-15]和汽轮发电机[16-18] 内定子[14-15,17]、定子通风沟[14,17]及转子[18]内冷却介 质流动情况进行了计算分析；文献[19-20]对永磁风 力发电机内流体流动及传热性能进行了研究，具有 一定的参考价值。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51277045); Project Supported by Heilongjiang Provincial Natural Science Foundation of China (QC2012C109); Project Supported by Heilongjiang Provincial Education Foundation (12531112); Project Supported by Top Young Innovative Talents of HUST Foundation (201301).
关键词：永磁同步电机；变频控制；共轭传热；三维温度场
0 引言
永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)与传统电励磁电机相比，具有结构 简单、可靠性强、效率高等诸多优点，因此 PMSM 被广泛应用于能源、交通、石油、化工等各个领 域[1-2]。对可靠性要求较高的小型船舶而言，PMSM 的优势更为明显[2]。然而，由于船舶用电机的工作 环境及工作要求的特殊性，常采用变频控制对 PMSM 进行供电[3]。变频供电情况下，PMSM 磁场 中谐波含量大，因此产生大量的涡流损耗和谐波铁 耗，导致电机运行时温升过高。电机内温度过高会 导致永磁材料退磁现象的产生，而永磁体电磁性能 又直接影响电机效率、使用寿命及运行可靠性等[4]。 因此，准确分析并掌握永磁驱动电机内温度分布规 律具有一定的理论与实际工程价值。