表贴式永磁同步电动机降低温升的分析与措施

陈　立

(浙江西尔康电梯部件有限公司，浙江 台州　317500)



表贴式永磁同步电动机降低温升的分析与措施

陈立

(浙江西尔康电梯部件有限公司，浙江 台州317500)

摘要：针对样机空载电流过大、温升过高、效率低下等问题，通过有限元分析，找出电机温升增高的主要原因，采取措施减少铜耗和铁耗，提高了永磁同步电动机效率，降低了电机的温升。

关键词：表贴式永磁同步电动机； 发热； 损耗； 效率

0引言

电机效率是一个重要电机的设计和制造的性能指标。效率的高低取决于电机在运行时所产生的损耗，而这些损耗转变为热能，使电机各部分的温度升高，影响电机的运行和使用寿命，故须从设计上减少电机中产生的损耗，增加电机的散热能力。近年来业内为提高材料利用率和产业自动化而开始向单齿冲叠铁心、集中绕组发展。这就给设计、工艺提出了更多更高的要求。电机损耗和温升的控制是一个普遍需要解决的问题。

1电机的损耗及效率

能量守恒定律指出： 能量即不能产生也不能消亡，只能发生形式的转换。对于以磁场作为主要储能机制的电机来说，能量流程可以表示为

电源输入的能量=机械能量输出+

磁场储能的增量+转换为热的能量

转换为热的能量即为电机中的损耗。对于本文涉及的永磁同步电动机[1-2]可分： (1) 定子铁心中的基本铁耗；(2) 空载时铁心中的附加(或杂散)损耗；(3) 机械风摩损耗；(4) 绕组铜耗；(5) 负载时的附加(或杂散)损耗。

以上(1)、(2)、(3)项为空载损耗[3-5]，在电机空载试验中，空载电流很小，其引起的空载铜耗可以忽略不计，空载输入功率全部降在这3项上，而其中第(1)项基本铁耗在磁路计算中也易得出，第(2)项附加铁耗就不易计算。(4)、(5)项为负载损耗，是在负载情况下产生的。电机在运行过程中产生的损耗越大，则输出功率就越小，效率就越低。

2定子电枢绕组中的铜耗

电机基波电流在绕组电阻上产生的损耗为Pcu=3I2R。该铜耗可用负载电流和绕组电阻计算得出。

在表贴式永磁同步电动机[6]中，由于磁极磁场并不是完全按正弦规律分布，故定子绕组内的感应电动势也不完全是正弦波形，除了基波以外还包含着一系列谐波，其有效值为

以24极90槽为例： 每极每相槽数q=11/4时，3次谐波绕组系数：

以24极27槽为例： 每极每相槽数q=3/8，y1=1时，3次谐波绕组系数：

同样都接成Δ接，但因27槽电机3次谐波绕组系数大于90槽电机3次谐波系数，绕组中产生的附加铜损耗也增加，从而电机的温升也有所增加。把27槽电机的三相绕组从Δ接改为Y接后结果如表1所示。

表1　Δ/Y接实测数据比较

3定子铁耗的影响

通过被测电机的空载电流及空载功率可看出，铁耗引起的温升也很大。为了定子齿叠压的紧固和整齐，一般采用铆钉、销钉、焊接等方法。这个样机用销钉紧定。做电磁路计算时，常分别计算定子铁心的齿、轭部的铁损耗，然后相加而得基本铁耗。

基本铁耗是由主磁通交变引起磁滞即涡流产生的。按式(1)计算：

(1)

式中：K——考虑铁心加工、磁通密度分布不均匀等因素使损耗增加的修正系数；

p1/50——当磁通密度为1T及频率为50Hz时铁心材料的单位损耗；

B——磁通密度；

f——磁通交变频率；

GFe——铁心质量。

铁心的磁滞损耗系数ph=σhfB2，σh是取决于硅钢片材料性能的常数，对于整体冲片叠压和单齿冲片叠压的电机来说材料性能和磁密都没有多大区别。

在有限元分析时，开始只考虑到磁场的主磁通通过铁心时的情况，齿中心处的磁密很低，销钉处不会感生多少涡流，如图1圈内所示。

图1　主磁通路径

在不同的位置，漏磁通的路径又是另外一种情况，这里磁密很高，如图2圈内所示。

图2　漏磁通路径

销钉长度长于电机定子长度，根据上述涡流损耗的公式推理，销钉的长度是冲片厚度的百倍之多，此处漏磁磁密也很高，将是定子铁心中涡流损耗增加的根源。随后用有限元对每个销钉分别进行分析。

第1步： 对外圈的钢销钉做分析，如图3、图4所示，外圈单根销钉的涡流损耗平均值为8W。

第2步： 对内圈钢销钉做分析，如图5、图6所示，内圈单根销钉的涡流损耗平均值为0.016W。

第3步： 对中圈钢销钉做分析，如图7、图8所示，中圈单根销钉的涡流损耗平均值为0.059W。

图3　所选销钉位置

图4　外圈单根销钉的涡流损耗

图5　所选销钉位置

图6　内圈单根销钉的涡流损耗

图7　所选销钉位置

图8　中圈单根销钉的涡流损耗

从有限元分析来看，主要的涡流损耗是由外圈的钢销钉引起，也验证了在图2中看到的情况。这里较其他两个销钉靠近磁场气隙，没有铰链定子绕组的漏磁密较高，因而磁场交变时感生的涡流也大，所以它的损耗就比中圈的销钉大上百倍。

在没有进入自动化大批量生产前，定子齿铁心的叠压工艺往往是用铆钉两端铆接、冲片周边焊接、销钉两端焊接。取消了外圈的销钉，重新做一台样机如图9所示。

图9　去掉外圈销钉

实测之后得出数据如表2所示。

表2　实测数据比较

从实测数据可看出，外圈销钉引起的涡流损耗很大，增加了附加铁耗，降低了效率。

4结语

以表贴式三相永磁同步电动机为例，在电机绕组和定子铁心中找到引起电机温升高的主要根源，通过结构设计及工艺工装的改进，解决了单齿集中式绕组电机温升高、效率低的难题。

【参 考 文 献】

[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].北京： 机械工业出版社，1997.

[2]王秀和.永磁电机[M].北京： 中国电力出版社出版，2007.

[3]胡笳，赵海森，刘明基，等.永磁电机铁芯损耗的时步有限元时空离散策略[J].电机与控制应用，2010，37(9)： 1-7.

[4]罗洪浩，廖自力.永磁电机齿槽转矩的谐波分析与最小化设计[J].电机与控制学报，2010，14(4)： 36-40.

[5]张洪亮.永磁同步电机铁心损耗与暂态温度场研究[D].哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2010.

[6]徐永向，胡建辉，邹继斌.表贴式永磁同步电机转子涡流损耗解析计算[J].电机与控制学报，2009，13(1)： 63-66.

Analysis and Measures of Reduce Temperature for Surface-Mount

Permanent Magnet Synchronous Motor

CHENLi

(Zhejiang XIERK Elevator Parts Co.， Ltd.， Taizhou 317500， China)

Abstract：To solve the problem of no-load current too big， temperature rise too high， low efficiency of permanent magnet machine. Through finite element analysis， find the main causes of elevated temperature rise of the motor， Measures to reduce the copper losses and iron losses， improve efficiency of permanent-magnet synchronous motors， reducing the temperature rise of the motor.

Key words：surface-mounted permanent magnet synchronous motor； fever； loss of energy； efficiency

收稿日期：2015-06-30

中图分类号：TM 351

文献标志码：B

文章编号：1673-6540(2016)02- 0083- 04

作者简介：陈立(1985—)，男，本科，研究方向为永磁同步电机设计，曳引机开发设计。