高速高功率密度风洞电机磁—热特性的研究

李立毅，郭杨洋，曹继伟，严柏平

(哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001)

高速高功率密度风洞电机磁—热特性的研究

李立毅，郭杨洋，曹继伟，严柏平

(哈尔滨工业大学 电气工程及自动化学院，黑龙江哈尔滨 150001)

基于新阶段风洞测试系统的对高速电机体积小、质量轻的指标要求，研制一种高速高功率密度永磁同步电机。提出采用极限电磁场—温度场综合分析的方法，实现永磁同步电机高功率密度下的高转矩性能。极限电磁场—温度场综合分析方法是利用有限元软件分析电机的电磁性能和损耗特性，在此基础上进行高功率密度电机的热负荷分析，在考虑温度分布的情况下，充分利用电机定转子各个部件所承受的极限温度，使电机达到一种极致使用的状态。在分析设计的基础上，制造一台样机并进行相关实验研究，利用电涡流测功机和温度传感器测量电机在额定状态下的机械特性及温度，对比试验和仿真结果验证了该设计方法的准确性。

高速;高功率;永磁电机;实验研究

0 引言

风洞是进行空气动力学实验的一项基本设备。所谓风洞，是指在特殊管道内，用动力设备驱动一股速度可控的气流，用以进行空气动力实验的一种设备。飞行器运行时其发动机的转速较高，通常转速要高于10 000 r/min，且采用航空燃油的涡扇式发动机具有普通电机难以拥有的功率密度和转矩密度，但是其本身的体积尺寸较大。而在进行飞行器风洞试验中，不能针对实际的飞行器进行试验，通常使用小尺寸的飞行器模型进行。由于风洞尺寸有限，模拟的飞行器一般都为小体积结构，而小体积结构能够携带的作用动力系统的电机就要求其具有体积小、质量轻、高转速和高转矩密度的特

点[1-3]。

随着人们对飞行器性能越来越高的要求，模拟实验中飞行器动力装置—风洞电机的功率密度成为制约其试验能力的瓶颈因素[4-5]。国内外许多研究团队对高功率密度电机进行了广泛地研究[6-8]，在国际上永磁同步电机的功率密度能够达到0.8∼1kW/kg[9]；而国内的西安微电机研究所也做了大量工作，永磁电机的功率密度也能够达到1kW/kg左右[10-12]。本文针对高性能风洞电机的要求，研制了一种功率密度更高，且兼具高功率因数的永磁同步电机，并研究了电机的磁—热特性，在提高电机功率密度的同时，提高电机的运行成本。

1 电机设计

1.1 电机基本尺寸设计

为满足风洞环境及高性能工况的输出，对电机的性能指标及尺寸结构等提出了更高的要求，小体积中高功率输出一直是风洞用电机研究的热点及难点。而实现高功率密度的途径是采用合理的极限电磁负荷配比实现电机的高过载特性。根据实际风洞环境需求得到的的电机设计指标，在规定体积Φ85mm×160mm下内完成转速为16 000 r/min，转矩为7 N·m，额定功率为12 kW的设计方案，其额定电压为线电压380 V，额定电流为25 A。

对于这种对体积要求比较严格的电机，可通过减小端部长度以达到最大利用铁心长度的目的。因此在电机的设计过程中，定子的绕组采用集中分数槽绕组的设计方法，之后，在分数槽集中绕组的情况下，4极和6极永磁体为可选择的较好的极数配合（10极方案由于极数太多，频率太高而不采用；而且8极9槽电机具有单边的磁拉力，将降低主轴的使用寿命）。通过对4极6槽和6极9槽的电机进行2D仿真可知，4极6槽的电机定子轭部较大且转矩波动的效果不理想，因此，本文电机选用6极9槽的方案进行设计，所设计的电机铁心外径为74.5 mm，以保证水冷套的安装尺寸；定子电枢绕组采用高温等级的铜线，耐温可达220◦C。转子励磁材料仍然采用UH系列钕铁硼永磁材料，增加转子磁体的耐温等级。

1.2 电磁计算

对于高速高功率密度电机而言，在满足电机性能指标输出的前提下，额定工况下电机的损耗及温升特性将是直接决定电机工作效率及可靠性的关键，所以电机的电磁损耗计算及相应热分析将是保证所设计电机可靠运行的关键，且电磁损耗的计算将是温升特性分析的前提[14-15]。在初步选定的电机基本结构参数下，通过对电机电磁特性的仿真计算，以校核电机的输出特性及设计的可行性。在此，通过Flux2D进行有限元建模分析，可计算得到电机的转矩、反电动势特性以及电机内磁场的分布，图1为所建立的电机模型。

图1 电机有限元仿真模型Fig.1 Finite element model of motor

图2和图3分别为有限元仿真得到的电机转矩和反电动势结果，从图2可知，当绕组电流为22 A时，电机的平均转矩为8.3 N·m，满足风洞对电机性能指标的需求。

从图3中可知，线反电动势最大值为472 V；在配套控制器的选择上，选用母线电压为500 V（线电压350 V）的控制器，以保证在一定的绕组电阻的情况下，控制器对电机绕组有10 V左右的电压控制差。

图2 电机的转矩Fig.2 Torque of motor

图3 电机的反电势Fig.3 Back emf of motor

电机内的铁心损耗可通过电机内部各部分的磁密来进行计算，图4为仿真得到的电机中各部分的磁密分布结果，其中，定子齿部磁密最大值为1.62 T，轭部磁密最大值为1.42 T。

图4 电机的磁密分布Fig.4 Distributing of magnetic density in motor

通过有限元仿真得到的电机内磁密的数据，采用公式(1)可计算出有限元模型中每一个单元内的铁耗，即

式中：c1是磁滞损耗系数；c2为涡流损耗系数；c3是附加损耗系数；f为电机铁心内磁场频率；Bm为磁密。通过式(1)可计算得到电机定子侧铁耗为350 W。

1.3 热负荷分析

对于高速高功率电机而言，电机的损耗温升一直是国内外研究的热点，在此，本文通过对电机热负荷的分析来研究电机的温升特性。通过前文的电磁分析，可计算得到电机定子及转子的铜耗与铁耗分别为244 W和350 W。而转子永磁上的涡流损耗采用全部铁耗量的1/2进行计算。通过ANSYS建立3D仿真模型进行热负荷分析，从而研究电机的温升特性，图5为根据电机结几何结构建立的ANSYS仿真模型。

图5 仿真模型Fig.5 Analysis model of motor

图5中所展示的ANSYS仿真模型为电机的1/12模型，即沿圆周方向上分析其1/6，在轴向方向上分析其1/2的结构。

考虑铜的温度系数，表1列举出了计算得到的电机不同温度下的铜耗密度。

表1 不同温度下的铜耗密度Tab.1 Density of copper loss under differ temperature

为保证电机的性能及控制电机内的温升，在电机的设计过程中采用定子铁心外表面开水槽的方式来控制电机内的温升。实际过程中采用水冷却的方式，在此通过仿真计算，以模拟分析电机实际工作状态下的温升特性，进而对电机的设计进行评价。图6为电机连续工作6min后停机5min，以此为一个周期，电机长期连续工作5个周期（50min）后的温度场分布。

图6 第50min时刻温度场分布云图Fig.6 Temperature nephogram of motor under 50 minutes current condition

从图6中可知，电机在连续运行5个周期后，电机的定子侧温度较高。由于电机定子外壳有水冷结构，其温度并没有向转子侧辐射太多。电机转子侧散热能力较差，只能依靠轴端进行自然散热或当温度较定子侧高时通过气隙向定子测散热，因此，在保证定子侧温度高于转子侧温度时，这样的结构形式有利于减小电机转子侧温度，提高电机的可靠性。从电机内定子铁心和转子铁心温度的云图可以清晰看到这一趋势(如图7所示)。

图7 电机内温度场分布Fig.7 Temperature nephogram in Motor

从图7定转子两部分的温度分布云图中可以看出，电机定转子温度是铁心中间温度高，而两侧温度低（分析模型采用的是轴向1/2模型），而从图7(b)转子温度场分布图中可以看出，当转子永磁体和铁心发热时，整体温度分布情况是轴向中心位置最高，分别向两侧降低；且其热量同时向两侧及轴心传播，但是，转子端面温度要高于轴端面温度，其原因是：一方面转子为一个统一热源，其温度梯度变化沿轴向变化不明显；其次，轴端面为转子热量主要散热途径，在电机未达到热平衡状态下，其轴端面温度要低于转子温度。

图8为5个连续周期工作状态下电机的温升特性曲线，从图中可知，在该冷却条件下电机按照所要求的周期工作制连续工作50min时，电机内部开始达到热平衡状态。由于水道位于定子铁心表面上，对定子的冷却效果比较明显，而随着电机工作时间的延长，转子上的温升逐渐升高，达到稳定温度的速度也比较慢，在连续工作50min时，电机转子依然没有达到理论上的热平衡状态，但是从总体温度趋势和永磁体所采用的高耐温等级材料上看，电机转子的温度趋势可以满足电机长效可靠地运行。

图8 电机的温升曲线Fig.8 Temperature curves of Motor

2 样机的研制及实验研究

根据前文分析得到电机基本参数，试制了高速高功率密度电机，如图9所示。实际测量电机整机质量为6 kg，功率密度达到2 kW/kg。

测试电机过载能力的最佳方法是利用驱动器和测功机，本文的电机测试是利用Magtrol电涡流2HD30HS测功机进行测试，电机试验测试系统的测试原理如图9所示。

图9 电机实验测试系统Fig.9 Experimental system of Motor

利用图9中的测试系统可分别对电机的最高转速时的转矩和温升特性进行系统测试。图10为电机在16 000 r/min时，电机的转矩变化曲线，此时电机的输入电流为22 A。

图10 电机的转矩、转速随时间变化曲线Fig.10 Torque characteristics of Motor

从测试结果中可以看出，电机的输出转矩为7.1N·m。通过与仿真结果相比，两者与较为一致。图11为电机转轴温升曲线。

图11 电机的温升特性Fig.11 Temperature characteristics of Motor

从图11可以看出，电机转轴温度上升较快，在15 min内上升至60◦C左右。考虑到电机内部的热传导作用，永磁体和转轴部分最高温度能够达到100◦C左右，但是考虑到电机采用高温度曲线的永磁体，电机转轴温度处在安全范围，这个结果也与热分析计算得到的数据较为接近。

3 结语

本文设计了一款12 kW高速高功率密度永磁同步电机，其功率密度达到2 kW/kg。文章通过Flux有限元软件对其进行了建模，计算了其电磁特性及损耗；同时将电磁计算得到的定子铁心磁密值，通过分离铁耗模型分别计算了每个不同单元的铁耗，最终得到了较为精确的铁耗值；再利用Ansys热分析模型，分析了这种电机的温度分布情况，验证了电机运行的可靠性。通过仿真和试验结果的比较表明，电磁分析计算和热分析计算的数据精确可靠，具有较高的吻合度。

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(编辑：于双)

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

国家杰出青年科学基金(51225702)

李立毅(1969—),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为特种电机;

郭杨洋(1992—),女,本科,研究方向为特种电机及其驱动控制技术研究;

曹继伟(1983—),男,博士研究生,研究方向为新型高速电机的研制设计;

严柏平(1986—),男,博士研究生,研究方向为新型特种电机的研究。

李立毅