直线电机温度场有限元计算与分析

黄广霞，布占伟

(洛阳理工学院 机电工程系，河南 洛阳 471023)

0 引言

永磁直线同步电动机在工业生产中是直接产生直线运动的一种特种电机，具有结构简单、定位精度高、反应速度快、灵敏度高、随动性好、惯量小、推力大等特点，品种也越来越多，它的用途越来越广.除了用于磁悬浮列车外，现广泛用于矿井提升系统、自动控制系统、需短时间短距离内提供巨大的直线连动装置、连续运行的驱动电梯，还用于传送系统、电气锤、电磁搅拌器等装置.随着单机容量的不断增加，它的发热问题日益突出，但是这种电机一般没有通风冷却装置系统，并且直线电机经常工作在散热条件较差的机床内部，它的初次级在进行能量转换过程中所产生的热量，极易使电机温度升高.当电机得温度达到一定程度时，它的机械、电气、物理等性能变坏，局部过热会直接影响电机绝缘材料的使用寿命和电机的安全运行，因此，改善冷却系统、提高散热能力，把电机的温升控制在一定的范围内，是电机技术研究中的重要问题之一，所以直线电机的发热问题就显得极其重要.

1 温度场数学计算模型

永磁直线同步电动机是由与此对应的旋转电机演变而来的(如图1)，直线电机的次级一般是大部分暴露在空气中，没有通风冷却装置，所以依靠电机本身自然条件冷却［1］.对于本文的样机，绕组和铁心的最高温度出现在电机初级的中部，所以把带有电机绕组的初级作为主要研究的对象.

图1 永磁直线同步电动机结构示意图Fig.1 The structural diagram of the PMLSM

电机温度场是比较复杂的热传导问题，必须建立场方程，即需要建立温度场与热源之间的关系式，根据电机实际模型，二维温度场的热传导微分方程为［2］［3］:

式中:P——热流密度;k——导热系数;T——温度;

为了简化数值分析，做出如下假设:

(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;

(2)本文电机模型几何分布和损耗分布对称，考虑到结构的对称性，槽中心面和齿中心面认为是绝热面;

(3)端部绕组部分认为是与真机同长的直线绕组;

(4)槽部导线排列无序，并且绝缘层十分薄，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.

金属材料的导热系数随温度变化而变化.本文研究的直线电机样机的温升限度只有百K左右，金属材料的导热系数变化很小，所以导热系数可认为是常数.本文电机在温度场求解过程中，几种导热体引用的导热系数为:

硅钢片横向导热系数:λ=44.1W/(m.k)

硅钢片纵向导热系数:λ=1.192W/(m.k)

绕组铜导线导热系数:λ=385W/(m.k)

本文研究的永磁直线同步电动机，没有任何冷却装置，是用空气作为冷却介质.空气作为冷却介质时，它的物理性能比较稳定.如果忽略散热表面几何尺寸等因素的影响，则可近似的认为电机各部件的换热系数与空气的流速有关.根据实验，当空气流速在5～25的范围时，α与ν之间的关系可用下式表示［4］

式中:α0——发热表面在平静空气中的换热系数;

ν——空气吹拂表面的速度;

k0，k——考虑气流吹拂效率的系数.

其对流换热系数:14.2W/(m2.k)

2 电机温度场的求解

本文样机技术参数如下表1，这台测试样机的初级电枢内布置有补偿绕组，可根据需要将其接入或拆除.受测试平台的形成所限制，永磁直线同步电动机进行仿真时，对电机通入的实际电流为5A，供电频率较低设置为4Hz.

表1 试验电机技术参数Table 1 The technical parameters of the experimental motor

首先在建立永磁直线同步电动机的模型，有限元模型和网格划分图分别为图2和图3.

图2 直线电机有限元模型Fig.2 Finite element model of the linear motor

图3 直线电机有限元剖分图Fig.3 Finite element mesh of the linear motor

对电机完成这一系列步骤后，然后把模型在温度场软件打开，再施加温度场边界条件，进行求解.

2.1 直线电机瞬态温度场计算

电机瞬态运行时，电机热传输方程为(1)，利用Infolytica软件，仿真时通入5A电流，仿真的电机模型是整台电机，所以左右两边是对称的，其它边界条件属于第三类边界条件，根据公式(2)，其对流换热系数为15.98.直线电机短时定额运行90分钟，通过计算，以下图是各个时间段的温度分布云图、等温线图.

图4 各个时间段的温度分布云图、等温线图Fig.4 The nephogram of temperature distribution and the isothermal diagram in every time segment

2.2 直线电机稳态温度场计算

图5 直线同步电动机稳态温度分布云图Fig.5 The nephogram of steady temperature field of the PMLSM

从上图可以看出，电机初级两端到内部温度逐步升高，电机的最高温度出现在第九个槽附近.下图6为稳态运行时的等温线图.

图6 直线电机稳态等温线分布图Fig.6 The isothermal diagram of steady temperature field of the PMLSM

从图中可以看出，电机稳态运行时，从两端到中部温度是逐渐升高的，在第九槽中央附近达到最大值，大约为70℃.

3 试验验证

本文电机采用通4A电流，并且短时运行90分钟，各埋置点的温度每隔10分钟测取一次.本文样机实验的温度测试系统，在实验室环境下，对样机进行了多次温度测取:环境温度为25℃，温度的测取采用在槽中埋置传感器的方法，本文应用的是新型温度传感器DS18B20，传感器埋入的位置在第1个槽、第9个槽、第18个槽中分别埋有温度传感器DS18B20，共埋置3个温度传感器，如下图7所示:

图7 温度传感器DS18B20埋置分布图Fig.7 The distribution map of the temperature sensor DS18B20

直线电机瞬态温度场实验.如下图8所示，直线电机作短时运行时，电机第九个槽中的埋置点实测值与仿真值随时间变化比较曲线.

图8 直线电机短时运行工作时仿真与实测温度比较曲线Fig.8 The correlation curve of simulation and experimental temperature during short time operation

从图8可以看出，实测温度与电机实际运行情况相符，也证明了电机做短时运行时电机本身的温度随时间几乎接近于线性变化［5］.

4 结论

本文建立了永磁直线同步电动机温度场的二维计算模型，确定了电机的边界条件，利用infolytica软件计算了直线电机稳态时的温度场，并通过实验对计算的结果检验，结果表明了计算结果和计算方法的正确性.对于影响电机温升的主要因素有初级铁耗、绕组铜耗、槽部等效系数、初级铁心导热系数、初级铁心表面换热系数和材料的热容量.降低稳定温升有两种方法，即降低电机的各种损耗和提高电机的散热能力.这就要求在选型时尽量选择电阻小和额定电流小的电机;直线电机设计时要根据直线电机暂载率的不同而调整相应的热负荷.静止空气层的导热性能很差，为了避免容易在绕组中形成高温点，要使槽部的静止空气层减少到最小，为了进一步提高树脂的导热系数可以在树脂中加入填充物硅.

［1］叶云岳，直线电机理论与应用［M］.北京:机械工业出版社，2000.

［2］陈世坤.电机设计［M］.第2版.北京:机械工业出版社，1997.

［3］魏永田，孟大伟，温嘉斌.电机内热交换［M］.北京:机械工业出版社，1998.

［4］张明慧，大型电机温度场的网络拓扑法分析计算及其前后处理［D］.西安:西安交通大学，2003.

［5］马云峰，等.数字温度传感器DS18B20的原理与应用［J］.电子元器件应用，2003.9.