封闭自散热式永磁发电机温升计算

刘亚龙，张亚鸽，张变变，成玲燕



封闭自散热式永磁发电机温升计算

刘亚龙，张亚鸽，张变变，成玲燕

（中船重工电机科技股份有限公司，山西太原 030027）

永磁发电机常作为副励磁机而存在，而现有励磁发电机的温升计算并不完全适用于永磁发电机，本文基于对电机的散热分析和适当的简化模型，运用传热学基本理论，对封闭自散热式永磁发电机进行了温升计算，并与电阻法实测值进行了对比。结果表明计算值高于实测值，差值不大于3K，且远低于发电机的最高允许工作温度，计算结果合理可靠，故本文提出的计算模型较为准确，可用于封闭自散热式永磁发电机温升的简易计算。

永磁发电机 散热分析 温升计算

0 引言

该封闭自散热式永磁发电机被用来为主发电机励磁系统提供功率电源，安装在主发电机非驱动端，与主发电机转子同轴旋转。

该永磁发电机转子为永磁体，永磁材料选用性价比较高的钕铁硼永磁材料。

该永磁发电机为封闭自散热式发电机，防护等级可达到IP54及以上防护等级，以保证可靠防护。为保证发电机良好散热，确保运行可靠，本文特针对该类发电机进行温升计算及散热分析。

1 温升计算

1.1 建立模型

本文根据温升计算要求及结构设计[1]对封闭自散热式永磁发电机的机座进行了简化处理，并建立了图1所示的温升计算模型。

经过分析，发电机产生的热量自发热源散热至机座外部环境的全过程中，可以忽略机座壁面自身的导热热阻，故热阻主要集中在两个部位：一是机座外壁与外部环境间的自然对流换热热阻1，记对应温度降为1；二是机座内壁面与发电机内部封闭空气间的对流换热热阻2，记对应温度降为2，具体详见图1。

图1 温升计算模型

本文涉及的模型中，永磁发电机允许的最高工作温度为150 ℃，额定工况下发热量Q为75 W。

1.2 计算温度降Δt1

为有效改善发电机散热效果，在机座内外圆壁面上散布着散热肋片，因此该部分对流换热主要包括肋片与环境间的对流换热及机座外圆壁面与环境间的对流换热，即

式中：Q1—肋片实际总换热量；Q1—外圆壁面换热量。

经查相关资料：机座材料导热系数=50 W/(m∙°C)[2]，发热表面在平静空气中的散热系数0=14.2 W/(m2∙°C)。

1.2.1肋片实际总换热量Q1

机座外表面布置矩形散热肋片，肋高=25 mm，肋厚=4 mm，肋长1=215 mm，肋片数量1=26。

此次天然气外输管线的清管过程分两轮进行，第1轮使用泡沫球清管器，从集气首站发出后，在距首站约3.6 km处发生卡堵(见图1)，采用断管的方式进行解卡。断管后发现管段内积聚大量黑粉，并结成硬块(见图2(a)、图3(a)和图3(b))，造成通球卡堵，图2(b)为清管器前端堆积的黑粉。

假设肋片为一维稳态导热，且辐射影响已折算在0中，则

式中：L—计算肋高；n—肋片效率；0—单肋片理想换热量。根据相关换热计算公式及假设条件，有：

其中：A为肋片纵截面积；

将、、、0等各参数值代入，计算得到：

通过查专业文献资料“矩形直肋效率”表，得n=0.92。

1.2.2外圆壁面换热量Q1

根据对流换热相关计算公式[2]，有

其中：

综合上述分析，将各参数值分别代入（1）至（8）式，并令Q1=Q=75 W，计算得到：

1.3 计算温度降Δt2

机座内表面布置矩形散热肋，肋高=10 mm，肋厚=20 mm。

参照上述计算方法，将相关参数值带入相关公式，得到：

通过查专业文献资料“矩形直肋效率”表，得n=0。故可以忽略机座内壁散热筋。则

式中：2=235 mm，指机座内壁长度。

将各参数值代入（1）至（8）式，并令Q2=Q=75 W，计算得到：

1.4 计算结果及分析

将前述各温升合计并计算管芯总温升有：

1.5 温升计算值与实测值对比

利用上述模型对3型生产应用中的永磁发电机进行了温升计算，并对计算值与电阻法实测值进行了对比分析，详见表1。

表1 温升计算值与实测值对比

通过表1的对比，可以得到：利用该模型计算得到的数值偏高于电阻法实测值，且误差控制在3 K以内，可见本文利用该模型得到的计算值准确。故本文建立的模型与采用的计算方法合理，完全可以用于封闭自散热式永磁发电机温升的简易计算。

2 结论

本文基于对电机的散热分析和模型简化，运用传热基本理论，对封闭自散热式永磁发电机进行了温升计算，并将计算值与电阻法实测值进行了对比，得到如下结论：利用本文模型计算得到的温升值合理可靠，因此该模型可用于封闭自散热式永磁发电机温升的简易计算。

[1] E·维德曼, W 克伦贝格尔. 电机结构[M]. 北京: 机械工业出版社, 1976．

[2] 俞左平. 传热学[M]. 北京: 高等教育出版社, 1979: 105-120.

Temperature Rise Calculation of Closed Self-Dissipation Permanent-Magnet Generator

Liu Yalong, Zhang Yage, Zhang Bianbian, Cheng Lingyan

（CSIC Electrical Machinery Science and Technology CO., Ltd, Taiyuan030027, Shanxi, China）

TM313

A

1003-4862（2019）05-0034-02

2019-01-07

张亚鸽(1982-)，女，工程师。研究方向：电机设计。E-mail: a03587363067@163.com