新型双定子永磁辅助磁阻电动机结构及 冷却系统设计*

马 波 于思洋 张凤阁 张兆宇

(沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870)

1 引言

低速大转矩驱动系统主要应用于工业自动化设备等领域，其传动系统广泛采用异步电动机组合齿轮减速机的形式，但是这种传动系统具有如下的缺陷[1-3]：① 为满足机械装备最大负载运行的要求，常选取功率偏大的异步电动机，电动机负载率不高，电动机经常处于轻载状态，额外增加了企业成本；② 传动系统结构冗余，传动链冗长，传动系统整体效率较低；③ 复杂的传动系统使得系统整体可靠性降低，也不利于后期的保养与维护。

低速大转矩直驱电动机避免了因减速机所引起的噪声大、效率低、结构复杂等诸多问题，因此直驱是未来电动机行业发展的趋势。同时得益于永磁材料的不断发展、电力电子技术的不断进步和电动机设计与制造方法的不断完善，永磁电动机发展迅猛，正在逐步替代异步电动机成为低速传动系统的必要设备[4-5]。

常规单定子单转子结构的低速大转矩永磁同步电动机通常体积较大[5]，同时电动机较大的径长比使电动机整体呈扁平状，电动机内部空间未被充分利用。在具有相同的定子外径和铁心轴向长度的情况下，充分利用电动机内部空间可提高电动机的功率和转矩密度。因此本文提出了双定子结构以提高电动机内部空间利用率，增加电动机的转矩密度与功率密度。除此之外，为了降低永磁体用量，节省经济支出，本文所提出的双定子低速大转矩同步电动机采用新型永磁辅助磁阻转子结构，该种转子在具备传统永磁辅助磁阻式转子优势的同时，又使得永磁与磁阻结构相对独立，解决了该类型电动机转子设计参数多、优化难度大的问题。

本文所提出的双定子永磁辅助磁阻转子低速大转矩同步电动机结构较为复杂，并且提高电动机的转矩与功率密度会使电动机运行时生热率增加，增加电动机的发热量[6-7]。为保证该种电动机的长期稳定运行，本文对其结构进行了设计，分析了各部件受力与形变情况；对电动机的温升进行了计算与分析，根据其温升的分布，设计适用于该电动机的冷却系统，很好地控制了电动机的温升。

2 机械结构及应力分析

2.1 电动机结构设计

图1 为所提出电动机的结构示意图，由图1 可以看出，内电动机由内定子、内转子磁阻共同组成；外电动机由外定子、外永磁体、外导磁层共同组成。除此之外，为避免电动机磁路互相干扰，影响电动机性能，在永磁体与磁阻之间用铝制隔磁环将内外电动机的磁路分隔开，磁力线分布如图2 所示。

电动机的具体参数如表1 所示。该电动机可以看成是由一个径向式永磁磁路结构的外电动机与一个磁阻结构的内电动机共同组成，内外转子由隔磁装置集成在一起，通过连接杆与旋转轴相连，内外电动机均在各自气隙产生旋转磁场，永磁电动机与磁阻电动机共同产生电磁力驱使转子旋转。所提出的电动机结构较为复杂，传统电动机的传动结构已不再适用，为了使电动机能正常运行，本文对其机械结构进行了设计。

表1 电动机主要参数

图3 给出了电动机的整体机械结构示意图。由图3 可以看出，永磁/磁阻混合转子双定子低速大转矩同步电动机的核心部件主要由内外定子以及位于中间的背靠背式永磁/磁阻混合转子组成。外定子与机壳采用热套方式进行装配，内定子铁心采用支撑杆与具有空心结构的静止轴进行装配，且静止轴与机壳后端盖采用过盈配合装配连接并通过支撑座固定；混合转子中的永磁体以粘贴的方式表贴于与之相应的转子铁心，且转子铁心与隔磁环通过热套方式固定；混合转子中的磁障叠片通过螺杆和螺栓进行压装，以燕尾槽结构插入到隔磁环内侧凹槽中；为保证内外气隙均匀度，隔磁环的前后端分别通过非导磁支撑架与转子前端盖及后端盖相连，转子前端盖与旋转轴直接相连，而转子后端盖通过轴承与静止轴相连；旋转轴通过轴承与电动机前端盖相连，静止轴通过支撑座与电动机后端盖固定；除此之外，为防止轴承在电动机运行过程中位置发生偏移，均采用固定环对其位置进行固定。至此，旋转轴、转子前端盖、隔磁环、非导磁支撑架、转子后端盖、轴承共同构成了该电动机的传动系统。

为了实现电动机的转子及内定子散热，在电动机端盖及转子端盖处开设通风孔，在内定子与静止轴之间铺设截面为圆形的螺旋散热水道，通以冷却水，设定冷却水道的水流量恒定，流体与轴体内表面的粗糙度相同。电动机输电线路及用于内定子散热的冷却水均通过右侧静止轴进入。电动机结构及各部件作用如表2 所示。

表2 电动机结构

2.2 受力分析

相较于传统电动机，该新型电动机的结构发生了较大变化，为保证电动机在运行过程中不会因局部受力过大使材料产生塑性形变进而影响电动机的安全运行，有必要对该新型电动机重要结构件进行受力分析，确保电动机各部件的形变量在合理范围内。由于该新型低速大转矩电动机的外定子与机壳相连，内定子与静止轴相连，在电动机运行时均保持相对静止且可得到良好的固定效果，而电动机的转子则要通过非导磁支撑架及转子端盖与轴体相连，因此该电动机受到应力与形变的峰值主要集中在转子处，为此本文主要对混合转子及轴体部分进行应力与形变分析。

电动机在运行时，主要承受重力、因旋转产生的离心力、拖动负载时的切应力，现分析如下。

对于做匀速圆周运动的物体，其离心力F 可以表示为

式中，m 为旋转物体的质量；ω 为旋转角速度；r为物体质心旋转轨迹曲率半径。

电动机定转子之间电磁作用产生的转矩通过转子传递，带动负载实现旋转运动。而转子磁极部分又是定、转子交链磁通的主要通道，因此磁极是电磁力的主要承受部分。为了便于计算，将转矩等效为作用于每个转子磁极的切向力，其可表示为

式中，Ft为等效于质心处的切向力；km为最大转矩倍数；TN为电动机额定转矩；p 为电动机极对数。

基于上述分析，忽略齿槽转矩等小应力对电动机形变的影响，在电动机理想满载运行的情况下，建立了应力场有限元模型，施加顺时针的驱动转矩，则电动机在工况运行时转子、轴体的应力与形变如图4～5 所示。

由上述仿真结果可知，电动机旋转时转子及轴体的形变最大值为0.010 325 0 mm，所受应力最大值为19.704 0 MPa。由上述仿真结果及参考文献可知各材料所受应力均小于其所用材料的屈服强度[8]，即电动机可实现稳定运行。电动机各材料的屈服强度如表3 所示。

表3 各材料屈服强度

3 温度场分析及冷却系统设计

3.1 温度场计算与分析

在电动机各项技术指标中，温升是其重要的性能指标之一，关系到电动机的功率密度、使用寿命和运行可靠性[9]。电动机由不同的部件构成，因各部件的材料属性不同，其损耗密度和散热效果也不同，所以各部件之间会有温差，存在热传导现象。本文研究的电动机为双定子结构，电动机运行时外定子可通过机壳自然散热，因此电动机产生的热量主要集中于内定子。根据该电动机的结构，本文设计了针对内定子的水路冷却系统，将电动机的温升控制在合理的范围内。

对流与传导是电动机中主要存在的两种传热方式，电动机部件中固体与固体间主要通过热传导传热；而流体与固体间主要通过对流散热进行热量交换。为方便计算对流作用带走的热量，一般都采用牛顿散热定律，即

式中，Q 为热流密度；α 为散热系数；1τ 、2τ 分别为固体壁、流体温度。根据上述基本理论，在直角坐标系下，电动机内的温度场可表示为

式中， x∂ 、 y∂ 、 z∂分别为x、y、z 方向上的热导率；qv 为热源密度，即电动机内各部件单位体积产生的损耗；α 为对流散热系数；Tf为周围流体的温度[10]。

根据实际情况进行一些必要的简化，基于此提出以下假设条件。

(1) 电动机内部空间中，两侧空腔完全对称。

(2) 各材料的热导率为确定值。

(3) 忽略股线间由于绝缘漆存在造成的温差。

(4) 认为定子槽内绕组的发热情况相同，忽略槽内集肤效应对绕组的影响。

基于上述假设条件，可将电动机模型划分为多个正交的网络拓扑结构，并将这些网格单元中心定义为所求温度的节点。电动机整体结构网络节点划分的示意图及节点所代表的部件如图6 所示。其中代表热源，代表对流传热，代表热传导。

新型混合转子电动机的定子部分相较于传统电动机未发生较大变化，定子齿部、轭部以及绕组的热阻计算方法可详见参考文献[11]。本文主要针对新型混合转子的热路模型进行分析。由于转子结构复杂，为方便热阻分析，对转子做一定的简化：忽略磁阻部分导磁层之间很窄的支撑连接及磁阻内部各导磁层的间隙，忽略磁阻与隔磁环间的燕尾槽，本文给出了转子的热阻计算方法。

(1) 永磁体轴向热阻。

式中，Lpm为永磁体轴向有效长度；pmλ 为永磁体热导率；S1718为永磁体轴向导热面积。

(2) 永磁体与气隙热阻。

式中，D05为永磁体外径；D04为永磁体内径；S1700为外层永磁体与气隙接触面积；0α 为气隙散热系数。

(3) 永磁体与导磁层热阻。

式中，S1720为永磁体与导磁层的接触面积；D03为导磁层内径；1Feλ 为硅钢片径向热导率。

(4) 导磁层与隔磁环热阻。

式中，S2023为导磁层与隔磁环的接触面积；Alλ 为铝的热导率。

(5) 导磁层轴向热阻。

式中，S2021为导磁层轴向导热面积；L 为铁心长。 (6) 隔磁环轴向热阻。

式中，S2324为隔磁环轴向导热面积。

(7) 隔磁环与磁阻热阻。

式中，S2326为隔磁环与磁阻接触面积；D02为隔磁环内径；D01为磁阻内径。

(8) 磁阻轴向热阻。

式中，S2627为磁阻轴向导热面积；2Feλ 为硅钢片轴向热导率。

(9) 磁阻与气隙热阻。

式中，S2600为磁阻与气隙接触面积。

(10) 转子与气腔热阻。

式中，S40为永磁体、导磁层、隔磁环、磁阻与气腔的接触面积；37α 电动机端部表面与外气腔的散热系数。

基于文献[11]中定子热阻公式及上述公式(5)～(14)，对电动机各部分温升值进行了计算，本文仅给出电动机转子部分的温升值，电动机室温下满载运行时节点(17)～(28)温度分布结果如表4 所示。

表4 电动机各节点温度

为进一步验证上述计算结果的准确性，本文建立了周向1/8 电动机的三维温度场的稳态物理模型。添加载荷及边界条件后电动机在满载运行时转子温度场的计算结果如图7 所示。

结果表明，采用热网络法得到的转子温度范围是136.62～146.08 ℃，采用有限元计算得到的转子温度范围是126.24～136.53 ℃，最高温度对比结果如表5 所示，二者基本一致。由于受到热网络求解复杂程度的限制，热网络法的区域剖分和计算精度均不及有限元法。

表5 热网络法与有限元法结果比较

因外电动机与机壳相连可实现良好的散热效果，而内电动机所处空间相对封闭，热量无法向外扩散，导致电动机局部温升过高，其温度计算结果如图8 所示。

由上述分析可知，电动机的温升主要集中在内定子及转子处。而过高的温升可能引起永磁材料的永久性退磁等不良后果，因此有必要对该电动机进行冷却系统的设计。

3.2 冷却系统设计

图8 计算结果显示电动机温度可达到160 ℃以上，此温度下电动机的性能会受到影响，为保证电动机的安全运行，本文采用风冷+水冷的方式对电动机进行冷却：电动机端盖及转子端盖开设通风孔对混合转子进行散热；将通有冷却水的螺旋水道表贴于内定子内侧对内定子绕组及轭部进行散热。风速为2.91 m/s，冷却水速为1 m/s，冷却腔道直径为0.01 m。装有冷却系统的电动机在满载运行时的温度分布计算如图9 所示，由图9 可知，与螺旋水道相接处的部件有良好的降温效果，电动机的最高温度控制在90 ℃以下。

由计算及分析可知，在内定子下方铺设冷却水道、端盖开设通风孔可实现良好的散热效果，各部件最高温度已控制在允许的范围内，电动机可达到稳态运行时的标准。

4 结论

本文提出了一种新型双定子永磁辅助磁阻电动机以提高传统低速大转矩直驱电动机的内部空间利用率和输出转矩密度。针对该种电动机的特殊结构，设计了电动机的整体机械结构和冷却系统，对该电动机在额定工况下的应力分布、形变及温升分布特点进行了计算与分析，基于计算与仿真结果可以得出以下结论。

(1) 电动机各结构件均满足应力要求，可保证电动机的可靠运行。

(2) 所提出的温升计算模型较为准确地计算出该复杂结构的电动机温升。

(3) 所设计的冷却系统有效地降低了电动机温升，使电动机温度分布均匀合理。