循油冷却永磁同步电动机的温度场分析
刘娇，黄守道，成本权，徐国佑
（湖南大学，长沙410082）
摘要：该文建立了循油冷却式电机稳态过程二维温度场的计算数学模型，根据电磁分析确定了各部分的损耗分布，并对一台功率为150 kw的循油冷却永磁同步电动机内部的温度场分布作了分析，得到了额定工况下定转子稳态温度场分布图。文中还分析了气隙温度以及机壳冷却油流速对电机温度场的影响，为电机的优化设计提供有用的参考依据。
关键词：循油冷却；永磁同步电动机；温度场
中图分类号：tm351; tm341 文献标志码：a 文章编号：1001-6848(2010)05-0010-03
o引 言
随着现代电机制造工业的发展，永磁电机的单机容量和功率密度不断增大，技术经济指标大大提高。这无疑使得电机运行时产生的单位体积损耗显著增加，引起电机各部分温度升高，这直接影响电机的寿命和运行的可靠性。而永磁体更是永磁电机的动力之源，永磁体的磁性能会随着所处环境温度的升高而下降，甚至在高温下发生不可逆去磁，对电机性能造成严重影响。因此，准确计算和研究电机内温度场，从而得到电机各部件温度分布情况，将为电机高效、安全运行奠定坚实的基础，也为永磁电机的设计提供重要依据和分析手段。
l 二维温度场的数值计算
1.1温度场数值计算模型
循油冷却永磁同步电动机的冷却系统中，冷却油通过机座外壳的螺旋槽带走定子的热量，其余部分采用自然冷却。考虑到沿电机的轴向热源的分布比较均匀，且导线的导热性好，轴向的温度差不大，因此可以将三维温度场问题转化为二维温度场问题求解分析，从而简化计算难度和节省计算时间，并且能够满足工程实际要求。
本文以一台额定功率为150 kw的循油冷却永磁同步电动机为例，根据电机的实际结构和传热学理论做出如下假设：
①电机铁心沿轴向温度梯度为零
②考虑定子绕组铜耗时，认为涡流效应对每根股线的影响相同，即取平均值；
③忽略材料热传导率随温度的变化。
在上述假设条件下，可取轴向的中心界面作为温度场的求解域，求解域模型如图l所示。
对于各向同性媒质，导热系数为常数，在直角坐标系下的二维稳态热传导方程为：
式中，t为温度℃；a为材料的导热系数w/m．k；qv为热源密度，w／m3。定子齿顶部分通过气隙中的空气与转子交换热量，定子轭外表面通过机壳与循油冷却永磁同步电动机的温度场分析刘娇，等油槽中的散热油交换热量，转子部分通过空气与定子交换热量。根据此热传递过程确定机壳与冷却油之间以及定转子表面与气隙之间为对流散热边界，边界条件满足式(2)。
式中，n为机壳表面单位法向矢量；α为散热系数，w/m．k,t1为环境温度。由热传导方程和边界条件可得电机稳态温度场计算的数学模型为
由变分原理可知，式(3)可一写成并变分方程
其中，d为求解区域。
当等价变分方程取极值，可知kt=f，式中，t为求解域内全部节点温度所形成的温度列阵；k和f分别为总体系数矩阵和总体右端列矢量。将边界条件式(2)代人式(4)，可求得到各个节点的温度值。
1.2定子绕组等效模型
求解过程中考虑股线的排间绝缘主要体现在股线热密的处理上，不考虑排间绝缘时的股线面积将增加，而总损耗无变化，假设0为股线的总损耗 |
