并列转子无刷混合励磁同步电机温升研究

刘维维，宫海龙，王 亮

(哈电发电设备国家工程研究中心有限公司，哈尔滨 150028)

0 引言

混合励磁电机兼具永磁电机和电励磁电机的优点，既可以达到接近永磁电机的高效率，同时又具备电励磁电机输出电压可调的特性。近年来广泛应用于航空航天、汽车等领域。早在20世纪80年代，有学者就曾对混合励磁电机进行过初步研究，为后续的探索提供了良好的基础。国内目前也有多所高校参与对混合励磁电机的研究，如哈尔滨工业大学的永磁-感应子结构混合励磁电机[1]、浙江大学提出在横向磁通永磁电机中采用混合铁心结构的混合励磁电机[2]、东南大学推荐的电动汽车驱动电机[3]、南京航空航天大学研究的新型并列结构混合励磁同步电机[4]、上海大学研究的42 V汽车供电系统用混合励磁爪极皮带式起动发电机[5]等。虽然对混合励磁电机的研究日益增多，但对其中温升部分的分析研究相对较少。为保证电机安全可靠运行，须对其温升进行重点分析。

混合励磁电机的结构较为复杂，电机内热源多，温度分布影响因素多，相应的等效热网络庞大繁杂、涉及变量和参数多、求解繁琐。本文将发电机的求解模型分解为几个主要结构的等效热网络，最终组合建立整个发电机的精确热网络模型。基于上述方法对一台混合励磁电机在负载工况时进行了温升计算，同时采用有限元法进行仿真分析，并通过样机试验对计算结果进行了验证。

1 电机结构简介

并列转子无刷混合励磁同步发电机基本结构如图1所示。该发电机主要包括无刷励磁机、主电机以及旋转整流桥三大部分。其中主电机定子铁心分为永磁段、中间段和电励磁段；转子根据结构特点分为永磁段转子和电励磁段转子，二者共用一套定子绕组，永磁段转子采用Halbach阵列磁体结构，电励磁段转子采用隐极结构。

1-交流励磁机转子铁心；2-交流励磁机定子铁心；3-混合励磁电机定子绕组；4-永磁部分定子铁心；5-永磁体；6-电励磁部分定子铁心；7-电励磁转子铁心；8-旋转整流桥。图1 混合励磁同步发电机结构图

2 温升计算

2．1 热网络法

从发电机结构可以看出，无刷励磁机、主电机、旋转整流桥及轴承等主要发热部件，通过转轴连接，相互之间主要以热传导的方式进行热量传递。其热量传递路径如图2所示，图中实心圆表示热源，空心圆表示环境温度及冷却水套位置散热。

图2 发电机热量传递路径图

根据发电机内的热量传递，将发电机的热分析网络分解为主电机、无刷励磁机、旋转整流桥、轴承几个组成部分。电机采用水冷结构，机壳内设计有冷却水路，该水路由20个周向双向并列的环形水道(水道截面尺寸：10 mm×5 mm)及将其串联起来的轴向槽口组成。主发电机的定子机座、端盖、磁钢挡板、电励磁转子支撑、电励磁转子槽楔等采用导热系数较高的铝，铁心采用硅钢片，转轴材料为合金钢，永磁转子护套采用碳纤维，永磁体为钐钴永磁体。根据电机结构尺寸、各部件材料属性等参数以及经验公式进行电机等效热网络图中各个部位热阻及散热的计算，再结合损耗计算值，计算出各节点的温度，从而考查发电机内的温度分布。关键节点的温度计算结果如图3所示。

图3 热网络计算结果(℃)

2．2 有限元法

采用有限元法计算，根据定子槽数、转子极数，主电机取周向1/4，无刷励磁机取周向1/6，及电机全轴向长度作为计算域，进行假设及简化处理：

(1) 各部分接触位置无缝隙，表面光滑。

(2) 主电机定子端部绕组，无刷励磁机定、转子绕组均用直线段形式等效。

(3) 绕组槽内结构等效为一个铜棒及包裹在其外部的均匀厚度的绝缘层。

(4) 发电机绕组、铁心、永磁转子护套、轴承、旋转整流桥为均匀发热体，其他部件上无损耗。

建立的温度场计算区域包括机壳、端盖、轴承、转轴、无刷励磁机、主电机、旋转整流桥。据上述简化及假设，定义材料属性(包括各向同性和各向异性)并对所建模型进行网格剖分，剖分后网格数量为225万个，节点数为382万个。在绕组、永磁体、定转子铁心、电励磁转子、旋转整流桥、轴承等热源对应实体上施加损耗源条件，在机壳、轴头、定子水道等散热位置施加温度及散热条件，计算出电机负载工况下的稳态温度分布情况，如图4所示。

图4 发电机负载工况运行时温度分布

由温度计算结果可知，最高温度出现在主电机定子绕组端部，损耗分布的差异是导致永磁段转子温度低于电励磁段转子温度的根本原因。

3 电机温升测量

电机温度测量结果如表1所示，为了便于比较，将热网络法及有限元法的计算结果也列于表中。

表1 计算值与实验值对比

有限元法最大计算误差为7.62%，热网络法最大计算误差为9.63%，两种计算方法的误差比较接近。有限元法计算精度相对热网络法较高，但是该方法建模及求解用时长，相比较而言，热网络法计算精度虽然误差稍大，但只要热网络建立完成，电机结构发生变化时，其热网络模型及参数修改便捷，计算速度快，特别是在初步设计阶段能够快速响应电机结构的变化，并准确获得温度分布。

4 结论

本文对并列转子无刷混合励磁同步发电机进行了相关温升研究，建立了适用于该种类型电机的温升计算热网络模型，以及温度场计算有限元模型，结合相应试验结果，得出以下结论：

(1) 对于复杂电机结构，根据电机内部热量传递，可采用分块划分热网络区域的建模方法，分别进行局部热网络搭建，然后组合求解。该方法概念清晰、思路明确，适用于电机初步设计时，结构频繁调整及选定的快速温升计算。

(2) 两种方法的温升计算结果表明，最热点位于主电机绕组端部，损耗分布及散热情况导致永磁段转子温度明显低于电励磁段转子，无刷励磁机温度最高点位于定子区域。热网络法和有限元法最大计算误差分别为9.63%和7.62%，两种计算方法的误差比较接近，证明了热网络模型的正确性。