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(中車永濟(jì)電機(jī)有限公司，陜西西安 710016)

0 引言

永磁同步牽引電機(jī)作為地鐵和動(dòng)車的動(dòng)力核心，它的性能直接關(guān)系到地鐵和動(dòng)車的運(yùn)輸品質(zhì)，因此對(duì)永磁同步牽引電機(jī)提出了越來(lái)越高的要求。電機(jī)由于采用的是全封閉設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，電機(jī)溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致永磁體的失磁，這會(huì)對(duì)電機(jī)的安全造成嚴(yán)重后果，電機(jī)溫度過(guò)低，造成原材料浪費(fèi)，增加電機(jī)成本，因此對(duì)電機(jī)溫升進(jìn)行計(jì)算是進(jìn)行電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 牽引電機(jī)發(fā)展及其結(jié)構(gòu)

直流電機(jī)于19世紀(jì)被用于牽引電機(jī)，已有150年歷史，串勵(lì)式直流電動(dòng)機(jī)具有有很好的拖動(dòng)特性，并且在速度控制方便，長(zhǎng)期以來(lái)一直用做牽引電機(jī)，但是換向器磨損導(dǎo)致電機(jī)需頻繁維護(hù)，同時(shí)換向器對(duì)電流和電壓限制，導(dǎo)致直流電機(jī)功率提高受到限制，這些都限制了直流牽引電機(jī)發(fā)展。19世紀(jì)末，德國(guó)某公司研發(fā)繞線式轉(zhuǎn)子異步電動(dòng)機(jī)，成為牽引電機(jī)開始，20世紀(jì)80年代，BR120型牽引電機(jī)用于電力機(jī)車。1991年，日本研究直驅(qū)式永磁同步牽引電機(jī)，2011年我公司研制出190kW永磁同步牽引系統(tǒng)，圖1為三相異步牽引電機(jī)。

圖1 三相異步牽引電機(jī)

圖2為永磁同步牽引電機(jī)。永磁電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、運(yùn)行可靠以及效率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。

圖2 永磁同步牽引電機(jī)

2 電機(jī)流體場(chǎng)分析

2.1 冷卻結(jié)構(gòu)

永磁同步牽引電機(jī)溫升與冷卻系統(tǒng)有密切關(guān)系，圖3為電機(jī)冷卻系統(tǒng)示意圖，電機(jī)采用強(qiáng)迫風(fēng)冷，熱量由冷卻空氣帶走，定子為環(huán)形繞組，既可減少端部尺寸，又可增加散熱面積，提高冷卻能力。

圖3 電機(jī)冷卻系統(tǒng)示意圖

2.2 基本方程與物理模型

研究一臺(tái)24槽的永磁電機(jī)，電機(jī)轉(zhuǎn)速速度很大，因此電機(jī)氣隙中雷諾數(shù)很大，流體的流動(dòng)狀態(tài)為紊流狀態(tài)，建立基本方程，假設(shè)如下

(1)冷卻流體為不可壓縮流體，流體流速遠(yuǎn)小于音速。

(2)流體在通風(fēng)道的流動(dòng)認(rèn)定為定常流動(dòng)，忽略重力和浮力。

依據(jù)粘性流體力學(xué)理論，可得出通用控制方程[2-3]

(1)

對(duì)式(1)進(jìn)行積分，可得方程

(2)

式中，Φ—通用變量；Г—廣義擴(kuò)散系數(shù)；S、SΦ—與Φ對(duì)應(yīng)的廣義源項(xiàng)；ρ—流體密度。

24槽的永磁電機(jī)，由于電機(jī)對(duì)稱性，對(duì)于研究流體和散熱問(wèn)題，可以取電機(jī)的1/24作為研究對(duì)象，建立實(shí)體模型，見圖4,A為周期性邊界面，B和C為內(nèi)外通風(fēng)道入口，D和E為壓力出口，F(xiàn)為轉(zhuǎn)子和氣隙交接面，B、C處氣體流入速度分別為20m/s、16m/s,進(jìn)入氣體溫度為20℃。采用Flunt軟件進(jìn)行模擬結(jié)果，到流體流速分布情況見圖5。

圖4 1/24電機(jī)三位模型

圖5 流體流速分布

3 等效熱路法與流體場(chǎng)結(jié)合計(jì)算溫升

等效熱路法是利用傳熱學(xué)和電路的相似性，將真實(shí)熱源與熱阻用熱源和電阻參數(shù)表示，然后進(jìn)行等效計(jì)算。這種方法計(jì)算量少，計(jì)算的準(zhǔn)確度取決于熱阻和散熱系數(shù)等參數(shù)。

3.1 熱路分析

熱量從高溫區(qū)傳到低溫區(qū)，基本方式有三種：熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射。對(duì)于永磁同步牽引電機(jī)，由于速度快，電機(jī)軸向氣流較大，可以忽略定子和轉(zhuǎn)子之間熱交換，只考慮各自熱路，定子鐵心、繞組、轉(zhuǎn)子護(hù)套和永磁鐵既是熱源又是熱阻，熱阻分為傳導(dǎo)熱阻(Rλ)和散熱熱阻(Ra)，計(jì)算公式見式(3)和式(4)，其中δ為長(zhǎng)度、λ為材料熱導(dǎo)率、S為面積、α為散熱系數(shù)，溫度隨時(shí)間和空間變化，電機(jī)溫升以最高溫度為準(zhǔn)，對(duì)于發(fā)熱原件采用平均溫升代替最高溫升。

(3)

(4)

3.2 散熱系數(shù)

散熱系數(shù)一般是通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式和假設(shè)風(fēng)速條件進(jìn)行結(jié)合計(jì)算得出的，這樣存在的誤差較大，因此可以通過(guò)Fluent軟件進(jìn)行流體場(chǎng)分析，見圖5，得出風(fēng)速結(jié)果。

當(dāng)采用空氣冷卻，定子表面散熱系數(shù)依據(jù)牛頓散熱定律，可得

(5)

式中，α—散熱系數(shù)與v為流速。

定子和轉(zhuǎn)子之間軸向和旋轉(zhuǎn)氣流，轉(zhuǎn)子表面散熱系數(shù)。

(6)

式中，α—散熱系數(shù)；N—Nusselt數(shù)；λ—空氣導(dǎo)熱系數(shù)。

雷諾數(shù)為

(7)

(8)

式中，νR—轉(zhuǎn)子圓周速度；νa—軸向氣流速；δE—等效直徑, 大小為2δ；ν—空氣的運(yùn)動(dòng)粘度。

最后依據(jù)等效熱路圖，圖6為轉(zhuǎn)子等效熱路圖，1、2分別表示護(hù)套、永磁體的損耗、θ為部件溫度，R為熱阻，然后列出定、轉(zhuǎn)子的熱平衡方程，最后計(jì)算出熱阻，通過(guò)Matlab軟件得出電機(jī)各部分溫度值。分析一臺(tái)24槽的永磁電機(jī)溫升結(jié)果，定子鐵心溫度為74℃；轉(zhuǎn)子永磁鐵的溫度為 98.3℃；護(hù)套的溫度為98.6℃，結(jié)果表明熱路法與流體場(chǎng)結(jié)合計(jì)算的溫升結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)誤差在5%左右。

圖6 轉(zhuǎn)子等效熱路圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了永磁同步牽引電機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并在傳統(tǒng)等效熱路法方面進(jìn)行改進(jìn)，采用流體場(chǎng)與等效熱路法相結(jié)合方式，通過(guò)Fluent軟件和Matlab軟件進(jìn)行計(jì)算，使計(jì)算結(jié)果更加科學(xué)、可靠和方便。