李立毅，郭楊洋，曹繼偉，嚴(yán)柏平

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

高速高功率密度風(fēng)洞電機(jī)磁—熱特性的研究

李立毅，郭楊洋，曹繼偉，嚴(yán)柏平

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 電氣工程及自動(dòng)化學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001)

基于新階段風(fēng)洞測(cè)試系統(tǒng)的對(duì)高速電機(jī)體積小、質(zhì)量輕的指標(biāo)要求，研制一種高速高功率密度永磁同步電機(jī)。提出采用極限電磁場(chǎng)—溫度場(chǎng)綜合分析的方法，實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)高功率密度下的高轉(zhuǎn)矩性能。極限電磁場(chǎng)—溫度場(chǎng)綜合分析方法是利用有限元軟件分析電機(jī)的電磁性能和損耗特性，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行高功率密度電機(jī)的熱負(fù)荷分析，在考慮溫度分布的情況下，充分利用電機(jī)定轉(zhuǎn)子各個(gè)部件所承受的極限溫度，使電機(jī)達(dá)到一種極致使用的狀態(tài)。在分析設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，制造一臺(tái)樣機(jī)并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，利用電渦流測(cè)功機(jī)和溫度傳感器測(cè)量電機(jī)在額定狀態(tài)下的機(jī)械特性及溫度，對(duì)比試驗(yàn)和仿真結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的準(zhǔn)確性。

高速;高功率;永磁電機(jī);實(shí)驗(yàn)研究

0 引言

風(fēng)洞是進(jìn)行空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)的一項(xiàng)基本設(shè)備。所謂風(fēng)洞，是指在特殊管道內(nèi)，用動(dòng)力設(shè)備驅(qū)動(dòng)一股速度可控的氣流，用以進(jìn)行空氣動(dòng)力實(shí)驗(yàn)的一種設(shè)備。飛行器運(yùn)行時(shí)其發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速較高，通常轉(zhuǎn)速要高于10 000 r/min，且采用航空燃油的渦扇式發(fā)動(dòng)機(jī)具有普通電機(jī)難以擁有的功率密度和轉(zhuǎn)矩密度，但是其本身的體積尺寸較大。而在進(jìn)行飛行器風(fēng)洞試驗(yàn)中，不能針對(duì)實(shí)際的飛行器進(jìn)行試驗(yàn)，通常使用小尺寸的飛行器模型進(jìn)行。由于風(fēng)洞尺寸有限，模擬的飛行器一般都為小體積結(jié)構(gòu)，而小體積結(jié)構(gòu)能夠攜帶的作用動(dòng)力系統(tǒng)的電機(jī)就要求其具有體積小、質(zhì)量輕、高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩密度的特

點(diǎn)[1-3]。

隨著人們對(duì)飛行器性能越來(lái)越高的要求，模擬實(shí)驗(yàn)中飛行器動(dòng)力裝置—風(fēng)洞電機(jī)的功率密度成為制約其試驗(yàn)?zāi)芰Φ钠款i因素[4-5]。國(guó)內(nèi)外許多研究團(tuán)隊(duì)對(duì)高功率密度電機(jī)進(jìn)行了廣泛地研究[6-8]，在國(guó)際上永磁同步電機(jī)的功率密度能夠達(dá)到0.8～1kW/kg[9]；而國(guó)內(nèi)的西安微電機(jī)研究所也做了大量工作，永磁電機(jī)的功率密度也能夠達(dá)到1kW/kg左右[10-12]。本文針對(duì)高性能風(fēng)洞電機(jī)的要求，研制了一種功率密度更高，且兼具高功率因數(shù)的永磁同步電機(jī)，并研究了電機(jī)的磁—熱特性，在提高電機(jī)功率密度的同時(shí)，提高電機(jī)的運(yùn)行成本。

1 電機(jī)設(shè)計(jì)

1.1 電機(jī)基本尺寸設(shè)計(jì)

為滿足風(fēng)洞環(huán)境及高性能工況的輸出，對(duì)電機(jī)的性能指標(biāo)及尺寸結(jié)構(gòu)等提出了更高的要求，小體積中高功率輸出一直是風(fēng)洞用電機(jī)研究的熱點(diǎn)及難點(diǎn)。而實(shí)現(xiàn)高功率密度的途徑是采用合理的極限電磁負(fù)荷配比實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高過(guò)載特性。根據(jù)實(shí)際風(fēng)洞環(huán)境需求得到的的電機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)，在規(guī)定體積Φ85mm×160mm下內(nèi)完成轉(zhuǎn)速為16 000 r/min，轉(zhuǎn)矩為7 N·m，額定功率為12 kW的設(shè)計(jì)方案，其額定電壓為線電壓380 V，額定電流為25 A。

對(duì)于這種對(duì)體積要求比較嚴(yán)格的電機(jī)，可通過(guò)減小端部長(zhǎng)度以達(dá)到最大利用鐵心長(zhǎng)度的目的。因此在電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，定子的繞組采用集中分?jǐn)?shù)槽繞組的設(shè)計(jì)方法，之后，在分?jǐn)?shù)槽集中繞組的情況下，4極和6極永磁體為可選擇的較好的極數(shù)配合（10極方案由于極數(shù)太多，頻率太高而不采用；而且8極9槽電機(jī)具有單邊的磁拉力，將降低主軸的使用壽命）。通過(guò)對(duì)4極6槽和6極9槽的電機(jī)進(jìn)行2D仿真可知，4極6槽的電機(jī)定子軛部較大且轉(zhuǎn)矩波動(dòng)的效果不理想，因此，本文電機(jī)選用6極9槽的方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，所設(shè)計(jì)的電機(jī)鐵心外徑為74.5 mm，以保證水冷套的安裝尺寸；定子電樞繞組采用高溫等級(jí)的銅線，耐溫可達(dá)220?C。轉(zhuǎn)子勵(lì)磁材料仍然采用UH系列釹鐵硼永磁材料，增加轉(zhuǎn)子磁體的耐溫等級(jí)。

1.2 電磁計(jì)算

對(duì)于高速高功率密度電機(jī)而言，在滿足電機(jī)性能指標(biāo)輸出的前提下，額定工況下電機(jī)的損耗及溫升特性將是直接決定電機(jī)工作效率及可靠性的關(guān)鍵，所以電機(jī)的電磁損耗計(jì)算及相應(yīng)熱分析將是保證所設(shè)計(jì)電機(jī)可靠運(yùn)行的關(guān)鍵，且電磁損耗的計(jì)算將是溫升特性分析的前提[14-15]。在初步選定的電機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)下，通過(guò)對(duì)電機(jī)電磁特性的仿真計(jì)算，以校核電機(jī)的輸出特性及設(shè)計(jì)的可行性。在此，通過(guò)Flux2D進(jìn)行有限元建模分析，可計(jì)算得到電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、反電動(dòng)勢(shì)特性以及電機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)的分布，圖1為所建立的電機(jī)模型。

圖1 電機(jī)有限元仿真模型Fig.1 Finite element model of motor

圖2和圖3分別為有限元仿真得到的電機(jī)轉(zhuǎn)矩和反電動(dòng)勢(shì)結(jié)果，從圖2可知，當(dāng)繞組電流為22 A時(shí)，電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩為8.3 N·m，滿足風(fēng)洞對(duì)電機(jī)性能指標(biāo)的需求。

從圖3中可知，線反電動(dòng)勢(shì)最大值為472 V；在配套控制器的選擇上，選用母線電壓為500 V（線電壓350 V）的控制器，以保證在一定的繞組電阻的情況下，控制器對(duì)電機(jī)繞組有10 V左右的電壓控制差。

圖2 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩Fig.2 Torque of motor

圖3 電機(jī)的反電勢(shì)Fig.3 Back emf of motor

電機(jī)內(nèi)的鐵心損耗可通過(guò)電機(jī)內(nèi)部各部分的磁密來(lái)進(jìn)行計(jì)算，圖4為仿真得到的電機(jī)中各部分的磁密分布結(jié)果，其中，定子齒部磁密最大值為1.62 T，軛部磁密最大值為1.42 T。

圖4 電機(jī)的磁密分布Fig.4 Distributing of magnetic density in motor

通過(guò)有限元仿真得到的電機(jī)內(nèi)磁密的數(shù)據(jù)，采用公式(1)可計(jì)算出有限元模型中每一個(gè)單元內(nèi)的鐵耗，即

式中：c1是磁滯損耗系數(shù)；c2為渦流損耗系數(shù)；c3是附加損耗系數(shù)；f為電機(jī)鐵心內(nèi)磁場(chǎng)頻率；Bm為磁密。通過(guò)式(1)可計(jì)算得到電機(jī)定子側(cè)鐵耗為350 W。

1.3 熱負(fù)荷分析

對(duì)于高速高功率電機(jī)而言，電機(jī)的損耗溫升一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，在此，本文通過(guò)對(duì)電機(jī)熱負(fù)荷的分析來(lái)研究電機(jī)的溫升特性。通過(guò)前文的電磁分析，可計(jì)算得到電機(jī)定子及轉(zhuǎn)子的銅耗與鐵耗分別為244 W和350 W。而轉(zhuǎn)子永磁上的渦流損耗采用全部鐵耗量的1/2進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)ANSYS建立3D仿真模型進(jìn)行熱負(fù)荷分析，從而研究電機(jī)的溫升特性，圖5為根據(jù)電機(jī)結(jié)幾何結(jié)構(gòu)建立的ANSYS仿真模型。

圖5 仿真模型Fig.5 Analysis model of motor

圖5中所展示的ANSYS仿真模型為電機(jī)的1/12模型，即沿圓周方向上分析其1/6，在軸向方向上分析其1/2的結(jié)構(gòu)。

考慮銅的溫度系數(shù)，表1列舉出了計(jì)算得到的電機(jī)不同溫度下的銅耗密度。

表1 不同溫度下的銅耗密度Tab.1 Density of copper loss under differ temperature

為保證電機(jī)的性能及控制電機(jī)內(nèi)的溫升，在電機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程中采用定子鐵心外表面開(kāi)水槽的方式來(lái)控制電機(jī)內(nèi)的溫升。實(shí)際過(guò)程中采用水冷卻的方式，在此通過(guò)仿真計(jì)算，以模擬分析電機(jī)實(shí)際工作狀態(tài)下的溫升特性，進(jìn)而對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖6為電機(jī)連續(xù)工作6min后停機(jī)5min，以此為一個(gè)周期，電機(jī)長(zhǎng)期連續(xù)工作5個(gè)周期（50min）后的溫度場(chǎng)分布。

圖6 第50min時(shí)刻溫度場(chǎng)分布云圖Fig.6 Temperature nephogram of motor under 50 minutes current condition

從圖6中可知，電機(jī)在連續(xù)運(yùn)行5個(gè)周期后，電機(jī)的定子側(cè)溫度較高。由于電機(jī)定子外殼有水冷結(jié)構(gòu)，其溫度并沒(méi)有向轉(zhuǎn)子側(cè)輻射太多。電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)散熱能力較差，只能依靠軸端進(jìn)行自然散熱或當(dāng)溫度較定子側(cè)高時(shí)通過(guò)氣隙向定子測(cè)散熱，因此，在保證定子側(cè)溫度高于轉(zhuǎn)子側(cè)溫度時(shí)，這樣的結(jié)構(gòu)形式有利于減小電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)溫度，提高電機(jī)的可靠性。從電機(jī)內(nèi)定子鐵心和轉(zhuǎn)子鐵心溫度的云圖可以清晰看到這一趨勢(shì)(如圖7所示)。

圖7 電機(jī)內(nèi)溫度場(chǎng)分布Fig.7 Temperature nephogram in Motor

從圖7定轉(zhuǎn)子兩部分的溫度分布云圖中可以看出，電機(jī)定轉(zhuǎn)子溫度是鐵心中間溫度高，而兩側(cè)溫度低（分析模型采用的是軸向1/2模型），而從圖7(b)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)分布圖中可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)子永磁體和鐵心發(fā)熱時(shí)，整體溫度分布情況是軸向中心位置最高，分別向兩側(cè)降低；且其熱量同時(shí)向兩側(cè)及軸心傳播，但是，轉(zhuǎn)子端面溫度要高于軸端面溫度，其原因是：一方面轉(zhuǎn)子為一個(gè)統(tǒng)一熱源，其溫度梯度變化沿軸向變化不明顯；其次，軸端面為轉(zhuǎn)子熱量主要散熱途徑，在電機(jī)未達(dá)到熱平衡狀態(tài)下，其軸端面溫度要低于轉(zhuǎn)子溫度。

圖8為5個(gè)連續(xù)周期工作狀態(tài)下電機(jī)的溫升特性曲線，從圖中可知，在該冷卻條件下電機(jī)按照所要求的周期工作制連續(xù)工作50min時(shí)，電機(jī)內(nèi)部開(kāi)始達(dá)到熱平衡狀態(tài)。由于水道位于定子鐵心表面上，對(duì)定子的冷卻效果比較明顯，而隨著電機(jī)工作時(shí)間的延長(zhǎng)，轉(zhuǎn)子上的溫升逐漸升高，達(dá)到穩(wěn)定溫度的速度也比較慢，在連續(xù)工作50min時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子依然沒(méi)有達(dá)到理論上的熱平衡狀態(tài)，但是從總體溫度趨勢(shì)和永磁體所采用的高耐溫等級(jí)材料上看，電機(jī)轉(zhuǎn)子的溫度趨勢(shì)可以滿足電機(jī)長(zhǎng)效可靠地運(yùn)行。

圖8 電機(jī)的溫升曲線Fig.8 Temperature curves of Motor

2 樣機(jī)的研制及實(shí)驗(yàn)研究

根據(jù)前文分析得到電機(jī)基本參數(shù)，試制了高速高功率密度電機(jī)，如圖9所示。實(shí)際測(cè)量電機(jī)整機(jī)質(zhì)量為6 kg，功率密度達(dá)到2 kW/kg。

測(cè)試電機(jī)過(guò)載能力的最佳方法是利用驅(qū)動(dòng)器和測(cè)功機(jī)，本文的電機(jī)測(cè)試是利用Magtrol電渦流2HD30HS測(cè)功機(jī)進(jìn)行測(cè)試，電機(jī)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試原理如圖9所示。

圖9 電機(jī)實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)Fig.9 Experimental system of Motor

利用圖9中的測(cè)試系統(tǒng)可分別對(duì)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)矩和溫升特性進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。圖10為電機(jī)在16 000 r/min時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化曲線，此時(shí)電機(jī)的輸入電流為22 A。

圖10 電機(jī)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Torque characteristics of Motor

從測(cè)試結(jié)果中可以看出，電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩為7.1N·m。通過(guò)與仿真結(jié)果相比，兩者與較為一致。圖11為電機(jī)轉(zhuǎn)軸溫升曲線。

圖11 電機(jī)的溫升特性Fig.11 Temperature characteristics of Motor

從圖11可以看出，電機(jī)轉(zhuǎn)軸溫度上升較快，在15 min內(nèi)上升至60?C左右?？紤]到電機(jī)內(nèi)部的熱傳導(dǎo)作用，永磁體和轉(zhuǎn)軸部分最高溫度能夠達(dá)到100?C左右，但是考慮到電機(jī)采用高溫度曲線的永磁體，電機(jī)轉(zhuǎn)軸溫度處在安全范圍，這個(gè)結(jié)果也與熱分析計(jì)算得到的數(shù)據(jù)較為接近。

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一款12 kW高速高功率密度永磁同步電機(jī)，其功率密度達(dá)到2 kW/kg。文章通過(guò)Flux有限元軟件對(duì)其進(jìn)行了建模，計(jì)算了其電磁特性及損耗；同時(shí)將電磁計(jì)算得到的定子鐵心磁密值，通過(guò)分離鐵耗模型分別計(jì)算了每個(gè)不同單元的鐵耗，最終得到了較為精確的鐵耗值；再利用Ansys熱分析模型，分析了這種電機(jī)的溫度分布情況，驗(yàn)證了電機(jī)運(yùn)行的可靠性。通過(guò)仿真和試驗(yàn)結(jié)果的比較表明，電磁分析計(jì)算和熱分析計(jì)算的數(shù)據(jù)精確可靠，具有較高的吻合度。

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(編輯：于雙)

Research on the characteristic of electromagnetic-thermal of high speed and power density wind tunnel motor

LI Li-yi,GUO Yang-yang,CAO Ji-wei,YAN Bai-ping
(School of Electrical Engineering and Automation,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China)

Wind tunnel test system requires motor system which has little volume and wieght，so a high speed and power density permanent synchronous motor for wind tunnel test was researched.An ultimate comprehensive analysis method adopting electromagnetic and temperature fi eld FEM was introduced,to make motor system high torque in little volume.The ultimate comprehensive analysis method adopts FEM software to analyze the electromagnetic characteristic and loss characteristic,and then analyzed the thermal load based the data of the electromagnetic FEM.Therefore,this method could adopt the stator and rotor’s component ultimate characteristic,make every reach the ultimate temperature.And the motor system can reach the ultimate using.Based on the analyses and design,a prototype motor is manufactured for experiment with the lab environment.Compared the experiments with simulation results,it proves the design is accurate.

high speed;high power density;PMSM;experiment research

TM 359.9

A

1007–449X(2013)10–0046–06

2013–04–10

國(guó)家杰出青年科學(xué)基金(51225702)

李立毅(1969—),男,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)樘胤N電機(jī);

郭楊洋(1992—),女,本科,研究方向?yàn)樘胤N電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)研究;

曹繼偉(1983—),男,博士研究生,研究方向?yàn)樾滦透咚匐姍C(jī)的研制設(shè)計(jì);

嚴(yán)柏平(1986—),男,博士研究生,研究方向?yàn)樾滦吞胤N電機(jī)的研究。

李立毅