永磁同步牵引电机的温升计算研究

2019-04-22，

防爆电机 2019年2期

，

(中车永济电机有限公司，陕西西安 710016)

0 引言

永磁同步牵引电机作为地铁和动车的动力核心，它的性能直接关系到地铁和动车的运输品质，因此对永磁同步牵引电机提出了越来越高的要求。电机由于采用的是全封闭设计结构，电机温度过高会导致永磁体的失磁，这会对电机的安全造成严重后果，电机温度过低，造成原材料浪费，增加电机成本，因此对电机温升进行计算是进行电机优化设计的关键环节。

1 牵引电机发展及其结构

直流电机于19世纪被用于牵引电机，已有150年历史，串励式直流电动机具有有很好的拖动特性，并且在速度控制方便，长期以来一直用做牵引电机，但是换向器磨损导致电机需频繁维护，同时换向器对电流和电压限制，导致直流电机功率提高受到限制，这些都限制了直流牵引电机发展。19世纪末，德国某公司研发绕线式转子异步电动机，成为牵引电机开始，20世纪80年代，BR120型牵引电机用于电力机车。1991年，日本研究直驱式永磁同步牵引电机，2011年我公司研制出190kW永磁同步牵引系统，图1为三相异步牵引电机。

图1 三相异步牵引电机

图2为永磁同步牵引电机。永磁电机具有结构简单、体积小、运行可靠以及效率高等优点[1]。

图2 永磁同步牵引电机

2 电机流体场分析

2.1 冷却结构

永磁同步牵引电机温升与冷却系统有密切关系，图3为电机冷却系统示意图，电机采用强迫风冷，热量由冷却空气带走，定子为环形绕组，既可减少端部尺寸，又可增加散热面积，提高冷却能力。

图3 电机冷却系统示意图

2.2 基本方程与物理模型

研究一台24槽的永磁电机，电机转速速度很大，因此电机气隙中雷诺数很大，流体的流动状态为紊流状态，建立基本方程，假设如下

(1)冷却流体为不可压缩流体，流体流速远小于音速。

(2)流体在通风道的流动认定为定常流动，忽略重力和浮力。

依据粘性流体力学理论，可得出通用控制方程[2-3]

(1)

对式(1)进行积分，可得方程

(2)

式中，Φ—通用变量；Г—广义扩散系数；S、SΦ—与Φ对应的广义源项；ρ—流体密度。

24槽的永磁电机，由于电机对称性，对于研究流体和散热问题，可以取电机的1/24作为研究对象，建立实体模型，见图4,A为周期性边界面，B和C为内外通风道入口，D和E为压力出口，F为转子和气隙交接面，B、C处气体流入速度分别为20m/s、16m/s,进入气体温度为20℃。采用Flunt软件进行模拟结果，到流体流速分布情况见图5。

图4 1/24电机三位模型

图5 流体流速分布

3 等效热路法与流体场结合计算温升

等效热路法是利用传热学和电路的相似性，将真实热源与热阻用热源和电阻参数表示，然后进行等效计算。这种方法计算量少，计算的准确度取决于热阻和散热系数等参数。

3.1 热路分析

热量从高温区传到低温区，基本方式有三种：热传导、热对流和热辐射。对于永磁同步牵引电机，由于速度快，电机轴向气流较大，可以忽略定子和转子之间热交换，只考虑各自热路，定子铁心、绕组、转子护套和永磁铁既是热源又是热阻，热阻分为传导热阻(Rλ)和散热热阻(Ra)，计算公式见式(3)和式(4)，其中δ为长度、λ为材料热导率、S为面积、α为散热系数，温度随时间和空间变化，电机温升以最高温度为准，对于发热原件采用平均温升代替最高温升。

(3)

(4)

3.2 散热系数

散热系数一般是通过经验公式和假设风速条件进行结合计算得出的，这样存在的误差较大，因此可以通过Fluent软件进行流体场分析，见图5，得出风速结果。

当采用空气冷却，定子表面散热系数依据牛顿散热定律，可得

(5)

式中，α—散热系数与v为流速。

定子和转子之间轴向和旋转气流，转子表面散热系数。

(6)

式中，α—散热系数；N—Nusselt数；λ—空气导热系数。

雷诺数为

(7)

(8)

式中，νR—转子圆周速度；νa—轴向气流速；δE—等效直径, 大小为2δ；ν—空气的运动粘度。

最后依据等效热路图，图6为转子等效热路图，1、2分别表示护套、永磁体的损耗、θ为部件温度，R为热阻，然后列出定、转子的热平衡方程，最后计算出热阻，通过Matlab软件得出电机各部分温度值。分析一台24槽的永磁电机温升结果，定子铁心温度为74℃；转子永磁铁的温度为 98.3℃；护套的温度为98.6℃，结果表明热路法与流体场结合计算的温升结果与实验数据误差在5%左右。