基于电动-发电运行状态的永磁同步电机温度场分析

丁树业，邓艳秋，崔广慧

（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150080）

基于电动-发电运行状态的永磁同步电机温度场分析

丁树业，邓艳秋，崔广慧

（哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江哈尔滨150080）

为了探究永磁同步电机（PMSM）在不同频率电动和发电工况下的温度场特性，以一台船用50 kW表贴式PMSM为例进行分析.基于传热学及计算流体力学基本理论，根据电机的结构特点，在基本假设的基础上，建立三维流热耦合电机温度场的求解模型，采用有限体积元法（FVM）对其进行了数值求解.通过数值计算分析了PMSM内部的传热特性，并与试验数据进行对比.结果证明了求解模型的正确性及求解方法的准确性.最后，对不同工况下PMSM定转子部分的温升分布规律进行对比分析，揭示了PMSM内部温升变化规律，可为PMSM结构和冷却系统的设计提供理论依据.

PMSM；变频；发电；温升；有限体积元法

随着我国船舶行业的快速发展，电力推进技术逐渐成为船舶动力装置的发展方向.永磁同步电机（PMSM）［1-5］具有结构简单、可靠性强和效率高等优点，能够适应特殊的工作环境，PMSM作为船舶电力推进装置显现出广阔的应用前景.由于工作要求的特殊性，PMSM常常工作在变频电动和发电两种工况下，特别是工作在变频电动状态下电机损耗大，导致整体温升偏高，可能会使永磁体发生不可逆退磁以及绝缘损坏等现象，进而影响电机的运行可靠性和使用寿命.因此，在设计开发阶段，准确分析PMSM内温升分布规律［6-9］具有一定的理论与实际工程价值.

近年来，国内外诸多学者大多采用有限元法［10］、有限体积元法［11-14］对电机内温度场进行数值计算与分析.C.A.Cezério等［15］采用热网络法以一台感应电机为例，分析了不同损耗对电机内温升的影响；R.Krok［16］对发电机在负载不对称情况下的转子温度场进行计算；A.Di Gerlando等［17］对大型感应电动机的定子绕组的温度场进行了计算；丁树业等［18］采用有限体积法对大型核主泵屏蔽电机的三维温度场与流体场进行了耦合计算，为文中的分析计算提供了有力的借鉴.

文中以一台50 kW表贴式PMSM为例，基于流体力学原理及传热学理论建立三维流动与传热耦合模型，结合实际工况给出相应假设及边界条件，采用有限体积元法分别对电机在变频电动和发电工况下的温度场进行分析，详细对比电机在两种不同工况下的温升分布规律，并将试验数据与仿真计算结果对比.

1　模型结构

1.1数学模型

对PMSM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，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，三维导热方程可以表示为

式中：T为固体待求温度，K；kx，ky，kz为求解域内各种材料沿x，y，z这3个方向的导热系数，W·（m· K）-1；q为求解域内各热源体密度之和，W·m-3；Tf为散绝热面周围流体的温度，K；α为散热表面的散热系数，W·（m2·K）-1.

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特性满足质量、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可简化表示为

式中：φ为通用变量；ρ为流体密度，kg·m-3；Γ为扩展系数；S为源项.

1.2基本假设

为合理简化求解过程，做以下基本假设：①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由于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；③在电机内流动过程中，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处理.

1.3通风结构

文中所研究的PMSM的基本通风系统结构见图1.

图1　通风系统结构示意图

PMSM内流体流动情况复杂，外部采用强迫通风方式冷却电机.电机外部有一台风机，促使外部空气进入风罩内，在风罩内挡板作用下，空气流进散热翅通风沟内，将热量带走.电机内部处于密闭状态，通过转子铁心与转轴之间铁辐的旋转扰动电机内空气，促进对流换热的作用.

1.4物理模型

对50 kW永磁电机进行研究，电机的额定参数如下：电压380 V；电流99 A；功率50 kW；转速1 500 r·min-1；频率50 Hz.

根据所研究电机具有的两路通风系统及其传热特点，可以将电机整个轴向长度、圆周方向1/2区域的范围作为研究对象，建立三维温度场求解的物理模型如图2所示.

图2　求解域物理模型

在基本假设条件下，可将电机定子槽内的铜线（不包括绝缘漆）等效看为一整铜块；浸渍漆、槽绝缘和铜线的漆膜近似为另一导热体，等效之后的铜块位置位于上下层槽中心处，四周与槽壁平行，浸渍漆和槽绝缘均匀的分布在铜线四周.

1.5边界条件

根据PMSM的通风结构以及传热特性，认为冷却介质入口为电机外部风机与端部风罩接口处，出口为包裹电机机壳整体的外部空气域.求解域内具体边界条件如下：①入口采用速度入口边界条件，入口风速为14.25 m·s-1；②风路出口采用压力出口边界条件，初始值设置为一个标准大气压；③求解域内流体与固体接触面均认为是无滑移边界；④电机外部机壳表面为散热面，求解域其余外边界均认为是绝热面.

2　变频电动工况三维温度场计算结果

2.1电机整体主要部件温升分析

通过对PMSM温度场及流体场数值分析，可得到变频电动工况下电机内的温升分布情况.给出该工况下PMSM内主要部件温升值，如表1所示.

表1　变频电动工况下PMSM主要部件温升值K

由表1和计算结果可知，在求解域范围内最高温升为94.40 K，位于转子永磁体部分；机壳部分平均温升最低，这是较电机内部，机壳部分散热齿受到流动冷空气的吹拂，散热情况良好所致.

为了更好地说明整个求解域内电机温升分布情况，给出整个求解域内固体部件温升分布云图，如图3所示.

图3　变频工况下求解域内电机温升分布

由图3及计算结果对比分析可以得出：

1）求解域内最高温升（94.40 K）位于转子永磁体部分，在轴向上靠近远风端，这是冷空气由入风口流至远风端周围出口的过程中，冷却介质温度逐渐升高并且流体流量也有部分损失所致，加之接线盒、吊装座等部件位于远风端，对空气的流动起到阻碍作用，导致电机远风端结构件散热情况较差从而温升较高.

2）在径向上，电机转子部分被包裹在电机内部空气内，转子温升高于定子部分，定子部分高于机壳部分，机壳部分受到外部冷空气吹拂散热情况良好.

2.2定转子部分温升分析

为了详细研究变频电动工况下电机内的热量传导情况，取求解域轴向典型位置处截面与径向贯穿铁幅中心的截面两面的交线作为考察线（图4），并给出电机内部件沿采样线温升变化情况（图5）.

图4　定转子沿径向温升分布图点

在轴向上以铁心段近风端为基准面，图5中l1表示轴向长度235.0 mm处截面位置，同理l2为轴向122.5 mm处截面，l3为轴向10.0 mm处截面.

图5　定转子沿径向温升分布图

由图5可见，PMSM不同截面处温升变化规律基本一致，转子部件各曲线温升较为接近，这是由于转子的旋转作用，气隙内空气流通顺畅，相对均匀地冷却转子永磁体表面，故转子不同截面的温差变化较为平均；但在定子铁心轭部，l3曲线温升下降，这是因接线盒及吊装位置对外风路的阻碍作用，冷却空气对远风端定子部件冷却能力下降所致.

电机内不同部件或部位温升变化规律存在较大的差异：电机内转子铁幅及转子铁心段（ac段）该区域温升呈上升趋势，且缓慢变化；在转子永磁体区域内（cd段）温升达到最高，从图5中可以看出，最高位置位于转子永磁体靠近气隙的表面处，在定子铁心轭部（jl段）具有相同的特征，温升呈缓慢下降趋势；由于定子槽内绝缘的存在，在ef，ij段，温升几乎呈阶跃特性突变；在定子槽内绕组位置处，由于铜的导热系数较大，温升变化较为平缓；ef位置为永磁同步发电机气隙所在位置，由于此处冷却空气的紊流现象明显，空气温升较低.

从温升变化曲线中可以看出，整个求解域内，转子永磁体温升最高；定子绕组的温升次之，且上层绕组温升高于下层绕组.定子铁心温升较低；定子铁心轭部温升最低.

由于求解域内最高温升位于转子部分，对转子部分进行分析可知：①转子部分最高温升（94.40 K）位于转子永磁体上，永磁体向转子铁心部分导热.②转子被电机内封闭空气腔包裹，空气导热系数低，电机转子的损耗热量尤其是永磁体的热量无法顺利导出，导致电机转子整体温升较高，其中永磁体温升最高.③由于转子处于旋转状态，转子内部铁辐对内部空气产生扰动作用，转子两端位置处的空气流动顺畅，带走热量能力较强，故转子两端位置部件温升较低.

3　发电工况三维温度场计算结果

3.1电机整体主要部件温升分析

基于流体力学与传热学基本理论，对50 kW的 PMSM在发电工况下的温度场进行数值计算，给出了发电工况下电机内主要结构部件温升计算结果，如表2所示.

表2　发电工况下主要部件温升值K

由表2可知，PMSM在发电工况下运行时，定子绕组位置温升最高，最高温升为64.51 K，相对于变频电动工况下，求解域内最高温升降低了28.89 K.最高温升位置由电动工况下的转子永磁体转移到发电工况下的定子绕组.

为了详细说明电机在发电工况下电机温升分布情况，给出发电工况下电机内主要结构部件的温升分布图（图6）.

图6　发电工况下求解域内电机温升分布图

由图6及数值结果可以看出，求解域内最高温升为64.51 K，位于定子绕组.轴向上，电机近风端温升较低，中心位置温升较高，与变频电动工况下温升分布趋势基本相同.相对于变频电动工况下，求解域内最高温升位置发生转移，这是因为发电工况下电机没有进行电路驱动，永磁体涡流损耗较小；而在电动的时候，采用变频供电技术，电路中谐波含量较多，导致永磁体涡流损耗的增大，而转子散热环境较差，损耗的增加，加大了转子部分的温度.

3.2定转子部分温升分析

为了详细研究求解域内电机各部件温升分布情况，取定转子轴向中心处截面作为考察面，并给出了该截面的温升分布图（图7）.

将定子绕组槽内及转子永磁体等各部件温升分布进行放大处理，由图7可见：①定子铁心轭部、机壳和散热翅温升较低，且沿径向向外温升呈缓慢下降趋势，散热翅顶部位置温升最低；②转子部分温度梯度较小，各部件温升分布均匀，最高温升位于永磁体表面，且仅与转子铁心温升相差0.6 K；③由于接线盒对外风路的阻碍作用，周向对应接线盒部分的定子绕组温升较高；④从定子槽内放大图看出，定子上层绕组温升明显大于下层绕组温升，且由于绝缘材料的导热系数较低，两者存在较大温差.

图7　定转子中心截面温升分布图

4　计算结果与试验值对比分析

为了验证文中研究成果的正确性，对该电机样机进行了温升测试试验.试验过程是在基于PT100温度传感器的永磁同步电动机测温平台上完成的，试验测试平台如图8所示.

图8　试验测试平台

试验利用PT100温度传感器对PMSM进行温升测量，测量位置分别为定子绕组、槽口气隙和永磁体.图9和10分别为温度传感器轴向和周向位置埋设示意图.

图9　温度传感器轴向位置埋设示意图

图10　温度传感器周向位置埋设示意图

通过图9和10，对PT100温度传感器埋设的位置进行编号，其中8号温度传感器埋设在8号定子绕组处，轴向位置C点处，即“8-C”位置；9号定子绕组所对应的温度传感器埋设在定子铁心轴向中心的槽口气隙处，用“9-B”表示；其他测温点编号以此类推.

在试验过程中，采用变频器对电机进行供电，每隔15 min采集一次数据，当同一PT100温度传感器相邻两次温升数值相差不超过0.4 K时，则认为电机内温升达到稳定状态.

给出电机内各温度传感器测量的温升值及采用文中计算方法得到的对应位置温升值，如表3所示.

表3　测量与计算温升值的比较

通过对变频器电动工况下温升数据的对比分析，验证了仿真数据的准确性和求解方法的合理性，为文中温升计算结果的正确性提供了校核标准.

5　结 论

1）电机的温升计算结果与试验结果基本吻合，所建立的包含电机外部空气域的三维物理模型合理，文中所提出的求解方法正确，计算结果准确.

2）电机内温升分布十分复杂，在变频电动工况下永磁体温升最高，为94.40 K，而发电工况下定子绕组温升最高为64.51 K，两种工况下温升变化趋势大致相同.

3）文中电机采用F级绝缘，由温升计算结果可知，在变频电动和发电工况下运行时的温升远远小于绝缘材料所允许的极限温升，流体能及时将电机内产生的热量带走，因此该电机的通风冷却系统设计合理.

4）接线盒对温升分布有一定的影响，由于接线盒对外风路空气的阻碍作用，导致风量损失，接线盒部位散热能力下降，电机定子与接线盒相对应部分温升较高.

（References）

［1］ 王 磊，李颖晖，祝晓辉，等.永磁同步电机转子位置提取近似分类支持向量机灰色预测方法［J］.电力系统保护与控制，2010，38（23）：97-102. Wang Lei，Li Yinghui，Zhu Xiaohui，et al.Extraction of rotor position for PMSM using PSVMC-GMP system prediction［J］.Power System Protection and Control，2010，38（23）：97-102.（in Chinese）

［2］ 刘国海，尹中良.一种高性能的无刷直流电机控制方法［J］.江苏大学学报：自然科学版，2009，30（2）：165-168. Liu Guohai，Yin Zhongliang.A high-performance control of BLDC［J］.Journal of Jiangsu University：Natural Science Edition，2009，30（2）：165-168.（in Chinese）

［3］ 朱喜华，李颖晖，张 敬.基于一种新型滑模观测器的永磁同步电机无传感器控制［J］.电力系统保护与控制，2010，38（13）：6-10. Zhu Xihua，Li Yinghui，Zhang Jing.Senorless control of PMSM based on a novel sliding mode observer［J］. Power System Protection and Control，2010，38（13）：6-10.（in Chinese）

［4］ 李立毅，黄旭珍，寇宝泉，等.基于有限元法的圆筒型直线电机温度场数值计算［J］.电工技术学报，2013，28（2）：132-138. Li Liyi，Huang Xuzhen，Kou Baoquan，et al.Numerical calculation of temperature field for tubular linearmotor based on finite elementmethod［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2013，28（2）：132-138.（in Chinese）

［5］ 殷巧玉，李伟力，于海涛，等.大型同步发电机断股故障情况下电磁场和温度场的计算与分析［J］.电工技术学报，2011，26（2）：59-67. Yin Qiaoyu，Li Weili，Yu Haitao，et al.Calculation and analysis of electromagnetic field and temperature field under broken strands for a large synchronous generator［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26（2）：59-67.（in Chinese）

［6］ LüChengyuan，Liang Yanping，Chen Jing.Calculation of rotor temperature field for huge hydro-generator［C］∥Proceedings of the 6th International Forum on Strategic Technology.Harbin，China：IEEE Computer Society，2011：524-528.

［7］ Jin Changzhong，Chen Ling.Coupling simulation of flow field and temperature field in mold filling process based on ANSYSsoftware［C］∥Proceedingsof the3rd International Conference on Information and Computing.Wuxi，China：IEEE Computer Society，2010：246-249.

［8］ Fan Yiyan，Zhao Bin.Three-dimension numerical simulation of temperature field and flow field in tunnel［C］∥Proceedings of 2012 2nd International Conference on Remote Sensing，Environment and Transportation Engineering.Nanjing，China：IEEE Computer Society，doi：10.1109/RSETE.2012.6260793.

［9］ Huang Chunyue，Wang Bin，Li Tianming，et al.Analysis of temperature field of embedded multi-chip module［C］∥Proceedings of 2011 International Conference on Electronic Packaging Technology and High Density Packaging.Shanghai，China：IEEE Computer Society，2011：801-805.

［10］ Zhong Liangwei，Chen Kangming.Three dimensional finite element analysis of radial-flow impeller temperature field［C］∥Proceedingsof 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering.Wuhan，China：IEEE Computer Society，2010：420-423.

［11］ 丁树业，孙兆琼.永磁风力发电机流场与温度场耦合分析［J］.电工技术学报，2012，27（11）：118-124. Ding Shuye，Sun Zhaoqiong.Investigation of fluid field and thermal field coupled for permanent magnet wind generator［J］.Transactions of China ElectrotechnicalSociety，2012，27（11）：118-124.（in Chinese）

［12］ 丁树业，葛云中，孙兆琼，等.高海拔用风力发电机流体场与温度场的计算分析［J］.中国电机工程学报，2012，32（24）：74-79. Ding Shuye，Ge Yunzhong，Sun Zhaoqiong，et al.Calculation and analysis of fluid field and temperature field for high-altitude type doubly-fed wind generators［J］. Proceedings of the CSEE，2012，32（24）：74-79.（in Chinese）

［13］ Meng Dawei，Lu Yufeng，Xu Yongming.Analysis of fluid field and temperature field of MW wind turbine based on fluent［C］∥Proceedings of the 4th International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation.Shenzhen，China：IEEE Computer Society，2011：59-62.

［14］ 丁树业，孙兆琼，徐殿国，等.3MW双馈风力发电机传热特性数值研究［J］.中国电机工程学报，2012，32（3）：137-143. Ding Shuye，Sun Zhaoqiong，Xu Dianguo，et al.Numerical investigation of heat transfer for 3 MW doublyfed wind generator［J］.Proceedingsof the CSEE，2012，32（3）：137-143.（in Chinese）

［15］ Cezário C A，Verardi M，Borges S S，et al.Transient thermal analysis of an induction electric mator［C］∥Proceedings of the 18th International Congress of Mechanical Engineering.Ouro Preto，MG：ABCM，2005.

［16］ Krok R.Electric minemotor thermalmodels aiding design and setting thermal protections［J］.Bulletin of the Polish Academy of Sciences Technical Sciences，2012，60（1）：103-110.

［17］ DiGerlando A，Foglia G M，Perini R，et al.Design and operation aspects of field regulated PM synchronous machines with concentrated armature windings［C］∥Proceedings of the 2005 IEEE International Conference on Electric Machines and Drives.San Antonio：IEEE Computer Society，2005：1165-1172.

［18］ 丁树业，孟繁东，葛云中.核主泵屏蔽电机温度场研究［J］.中国电机工程学报，2012，32（36）：149-155. Ding Shuye，Meng Fandong，Ge Yunzhong.Temperature field investigation of canned primary pumpmotors in nuclear power stations［J］.Proceedings of the CSEE，2012，32（36）：149-155.（in Chinese）

（责任编辑 梁家峰）

Analysis of PMSM tem Perature field based on electric and Power generation running state

Ding Shuye，Deng Yanqiu，Cui Guanghui
（School of Electrical and Electronic Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin，Heilongjiang 150080，China）

To investigate the temperature field characteristics of permanent magnet synchronous motor（PMSM）under different frequency electric and power generation conditions，a 50 kW marine PMSM was analyzed.Based on computational fluid dynamics and numerical heat transfer theory，a 3-D fluid flow and heat transfermodel was set up，and the temperature and fluid field of PMSM was simulated numerically by the finite volumemethod（FVM）under frequency control and generating conditions.The calculation result of coupled field was verified by comparing with the test value to analyze the heat transfer characteristics.The distribution of temperature rise inner the stator and rotor under frequency control and generation conditionswas analyzed to reveal the changing regularity of temperature rise for PMSM.The results provide a theory basis for the design ofmotor structure and cooling system of PMSM.

permanentmagnet synchronousmotor；frequency conversion；generate electricity；temperature rise；finite volumemethod

TM341

A

1671-7775（2015）04-0445-07

丁树业，邓艳秋，崔广慧.基于电动-发电运行状态的永磁同步电机温度场分析［J］.江苏大学学报：自然科学版，2015，36（4）：445-451.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.04.013

2014-12-25

黑龙江省教育厅基金资助项目（12531112）；国家自然科学基金资助项目（51277045）；黑龙江省自然科学基金资助项目（QC2012C109）

丁树业（1978—），男，江苏盱眙人，教授（dingshuye@163.com），主要从事电机综合物理场数值计算及特种电机理论研究.邓艳秋（1987—），男，吉林四平人，硕士研究生（dyq.715@163.com），主要从事电机内多理场数值分析研究.