基于Maxwell环境温度对永磁电机起动性能影响研究

王 亮 王 爽 苏国用 王文善

(安徽理工大学省部共建深部煤矿采动响应与灾害防控国家重点实验室 安徽 淮南 232001)(安徽理工大学机械工程学院 安徽 淮南 232001)

0 引 言

永磁电机具有结构简单、高效，调速性能良好等优点[1]，已经被广泛使用。在煤炭开采过程中，电机是必不可少的部件之一，矿井运输和提升以及通风过程，都需要电机的辅助作用。目前《煤矿安全规程》中规定生产矿井采掘工作面温度不得超过26 ℃，机电设备硐室空气温度不得超过30 ℃[2-3]。为了实现永磁电机在矿下环境正常使用，研究矿下环境因素对永磁电机的影响具有一定意义。

目前国内外学者对永磁电机的分析主要集中在永磁电机的温度场对其性能的影响，并且取得了一些相应的进展。魏雪环等[4]研究了温度上升对永磁同步电机的可靠运行状况，得出了永磁体涡流对永磁电机的整体具有温度提升的作用。王晓远等[5]通过对永磁轮毂电机的三维磁热耦合分析，通过改变电机的结构，实现结构上的优化；文献[6]对车用水冷式高功率密度永磁同步电机进行流体场的分析，分析了不同方法对电机的散热情况。文献[7-10]通过改进永磁电机的结构，大幅度提高了电机的效率。虽然国内外对永磁电机的温度方面研究较多，但是较少涉及到环境温度对永磁电机性能的影响，特别是矿井下的环境温度对永磁电机的影响。

基于300 t/h运量的上运式输送煤炭带式输送机，本文以75 kW的表面式永磁同步电机为研究对象，其主要参数如表1所示。为了研究环境温度对永磁电机的性能影响，本文首先对永磁电机对矿井环境温度的介绍，然后再对永磁电机的进行温度与转矩和转差率等启动特性的数学模型，然后利用有限元仿真软件对永磁电机进行仿真研究，为之后的结构改进提供参考依据。

表1 表面式永磁电机主要参数

1 永磁电机起动特性数学模型

永磁电机是依靠转子表面上的永磁体产生的磁场，与定子上的绕组产生感应磁场相互作用，带动转子的旋转。表面贴附式永磁电机如图1所示，永磁电机作为矿用电机，首先起到拖动作用，永磁电机在正式运行前，必须经历启动阶段，永磁电机的启动过程需要有足够大的启动转矩，和较小的启动电流，同时尽可能保证启动过程平稳，操作简便易行。

图1 表面贴附式永磁同步电机结构

永磁同步电机的起动过程主要由平均转矩，起动电流以及最大去磁点所影响，温度变化会对永磁体的参数以及定子绕组电阻值产生影响。

1.1 温度变化对电机参数影响

环境温度主要影响永磁体性能和绕组的电阻，永磁体的剩磁密度以及矫顽力与环境温度的关系为[11]：

式中：Br为t℃下的永磁体的剩磁密度；Br20为20 ℃时的剩磁大小；t为环境温度；αBr为磁通密度温度系数；Hc为t℃下的矫顽力(KA/m)，Hc20为20 ℃时的矫顽力；βHr为矫顽力温度系数。图2为不同温度下，N40UH材料的B-H曲线图。表2为各种材料的物理特性[13-14]。

表2 N40UH的材料物理特性

绕组与环境温度的关系为[12]：

Rs=R20+KR20(t-20)

(2)

式中：Rs为定子绕组在t℃时的电阻大小；R20为在20 ℃时的电阻大小(单位：Ω)；K为铜材料的温度系数，取K=0.003 93。

图2 不同温度下BH曲线

1.2 永磁电机转矩模型

永磁电机由于结构上的原因，其具体起动靠旋转磁场和转子相互作用产生的异步转矩启动，其启动过程相对三相感应电机复杂很多。永磁电机由于转子磁路不对称，转子电流可分解为两个旋转磁场，相对于定子的转速为n1和(1-2s)n1。

在相同转速n1情况下，定子和转子的旋转磁场会相互作用，产生恒定转矩Ta；在相同转速(1-2s)n1情况下，定子和转子的旋转磁场会相互作用，产生恒定转矩Tb。

由于磁路不对称产生的转矩计算难度大，因此对两者进行合并处理，合并成为异步转矩Tc。

以转差率为自变量可以求导得到永磁电机的异步转矩最大值为：

Xad和Xaq分别为直轴和交轴的电抗值。

除旋转磁场外，还有转子永磁体产生的磁场，其相对定子转速为(1-s)n1，该磁场与定子相互作用，产生恒定转矩Tg，该转矩称为发电制动转矩,Tg为

式中：k=Xq/Xd。

1.3 启动电流

启动过程中定子电流包括三个方面，分别为频率为f的电流Ia、磁阻负序分量磁场感生频率为(1-2s)f的电流Ib以及永磁气隙磁场感生频率为(1-s)f的电流Ig。因此定子的起动电流为：

1.4 电机效率模型

电机的效率为输出功率与输入功率的比值，电机在进行输出过程中，会产生机械损耗、电枢铜损，电枢铁损以及杂损等损耗，从而对电机的效率产生影响。

电枢铁损由定子的齿部和轭部所产生的损耗：

PFe=k1pt1Vt1+k2pj1Vj1

(14)

式中：pt1、pj1为定子齿部和轭部铁损；Vt1、Vj1为定子齿部和轭部体积；k1、k2为加工过程中不均匀系数，k1=2.5，k2=2。

电枢铜损为定子的绕组产生的损耗：

Pcu=mI2r1

(15)

式中：m为模数；r1定子电阻；I为电流大小。

杂损是磁场的谐波和电机开槽在铁心中所产生的损耗：

糖尿病是一种常见多发慢性血糖升高的代谢性非传染性疾病，2011年发布的全国糖尿病筛查结果显示，我国22%～23%老年人患有糖尿病且随着年纪增长，糖尿病患病数大幅增加，其中2型糖尿病患者占主要部分[1]。糖尿病患者由于机体长期处于高糖水平细菌易滋生繁殖，促使住院治疗患者极易感染，同时，糖尿病患者由于高血糖、高渗透、并发症等因素，导致患病死亡风险增加[2]。糖尿病目前尚无治愈办法，患者须接受包括口服降压药、注射胰岛素等终身治疗，良好生活方式及自我管理可显著影响患者生活质量[3]。2016年1月～2018年1月，我们对89例老年糖尿病患者实施基于多元化护理模式，效果满意。现报告如下。

机械损耗主要由轴承摩擦和空气摩擦所引起，机械损耗一般会根据电机的尺寸和类型直接给出，用Pfw表示。

P1=P2+Pfw+Ps+PFe+Pcu

(18)

式中：P1输入功率，P2输出功率。

根据以上分析，可知环境温度对永磁体的磁感应强度以及定子绕组的阻值影响，从而会对电机的起动转矩，起动电流以及起动过程的效率产生影响。

2 环境温度对永磁电机影响仿真

永磁同步电机的环境温度主要影响电机的永磁体特性以及定子绕组的电阻值，为了研究这些变量变化而引起的电机特性变化，对永磁同步电机的环境温度进行改变，来研究其起动过程的性能。本文采用Ansoft软件对环境温度改变引起的永磁电机起动性能进行仿真研究，通过对Ansoft的RMxprt模块，对模型设置表1的相应参数，然后对永磁体的材料进行定义，选择非线性形式，输入在20 ℃时，永磁体的Br和Hc的数据，最大磁能积数值以及Mur值。系统自动获取B-H曲线之后，选择Thermal Modifier，在相对磁导率和矫顽力处的热效应分别输入1-0.001 2×(Temp-20) A和1×0.005 3×(Temp-20)，磁导率处输入625 000(S/m);对绕组材料选择热效应，在其电导率处输入1/(1+0.003 93×(Temp-20))；Analysis的Solution Setup设置仿真时间和步长，由于起动过程的迅速，结合参考文献[15]设置时间为0.3 s，步长大小为0.000 3 s，然后根据实际工作环境波动，对模型依次设置0 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃，由于电机运行，温度不断升高，因此再设置一个70 ℃的高环境温度，进行一个极端分析。

2.1 基本假设

为了研究环境温度对永磁同步电机的影响，需要对仿真过程做一些假设：① 忽略温度对转子的电阻影响；② 温度系数恒定；③ 忽略永磁体的不可逆去磁效应；④ 忽略定子、转子的材料具有各向异性；⑤ 忽略环境温度对气隙系数的影响；⑥ 忽略温度效应对材料的变形；⑦ 忽略不可逆损失。

2.2 环境温度对永磁体的磁感线分布影响

温度变化，永磁体的剩磁密度会发生相应变化，在稳态情况下，磁感线的分布也会发生相应的变化，磁感线的变化对于永磁电机的性能也会产生相应影响，为此对永磁电机在0 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、70 ℃情况下的磁感线分布进行研究。在0 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、70 ℃情况下，磁感线分布具体如图3所示。

图3 环境温度下磁感强度变化

根据0 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、70 ℃的环境温度变化，当温度升高，永磁电机的磁感应强度大小呈下降趋势。主要因为温度对永磁体的剩磁密度有影响，由于永磁体的剩磁密度系数为负值，温度升高对永磁体的磁感应强度会产生一定削弱的影响，永磁电机的最大磁感应强度由0 ℃的2.300 9 T，温度上升至70 ℃时，最大磁感应强度降低至2.284 8 T。

2.3 环境温度对转矩的影响

环境温度影响永磁体的剩磁大小，还影响到定子绕组的电阻值大小。环境温度从15 ℃逐渐升高到的转矩分为平均转矩和发电制动转矩两部分，因此，研究环境温度对永磁电机的起动转矩影响。永磁电机的起动转矩主要由平均转矩和发电制动转矩两部分组成，图4表示环境温度对起动转矩的影响，其中：(a) 表示各个温度下的起动转矩变化；(b) 表示最大起动转矩的局部放大图。

图4 环境温度对起动转矩影响

由于起动的过程较短，因此选择在0～100 ms的时间内，200 ms之后，起动转矩趋于稳定阶段，因此在0～100 ms之间对起动转矩进行局部放大。根据整体视图，环境温度对转矩的影响较小。根据局部视图，随着温度的升高，最大转矩逐渐减小。在0 ℃时，最大转矩为822.634 N·m，温度上升到70 ℃时，最大转矩下降到809.242 5 N·m。

2.4 环境温度对起动电流的影响

电动机在运行的过程中，期望起动转矩越大越好，同时希望起动电流较小，环境温度对永磁体的磁性以及电阻的阻值影响，从而影响到起动电流的大小。为了让电机能更好地在一个温度环境中运行，希望环境温度越适应越好，因此，通过Ansoft软件对永磁电机进行瞬态仿真研究，得出了环境温度对起动电流的影响如图5所示。其中：(a)、(c)、(e)分别表示各个温度下A相、B相、C相电流变化趋势图；(b)、(d)、(f)分别为的A相、B相、C相的首个波峰或波谷的局部电流放大图。

图5 环境温度对各相电流的影响

由图5可知，永磁电机各向起动电流在0～100 ms处于波动状态，100 ms之后渐趋稳定状态，因此为了分析其起动电流，在第一个波峰或波谷处进行局部放大显示。根据图5的局部放大图显示各相电流起动过程的变化，A、B相最大相电流都是在70℃的时候绝对值数值最大，C相最大相电流在0 ℃时候绝对值数值最大。具体各相电流最值变化如表3所示。

表3 各相电流最值绝对值在不同温度下的数值

由表3可知，0 ℃上升到70 ℃时，A、B相电流呈增长趋势，C相电流呈缩小趋势。

2.5 环境温度对电机的运行效率影响

环境温度改变，会影响电机的转矩以及电流大小，同时对电机的功率因数产生一定的影响，电机的功率因数与电流、电压，以及转矩都具有一定关系，因此环境温度改变会对电机的效率产生一定的影响。图6为不同环境温度下电机的效率走势，随着温度的升高，电机的效率逐渐下降。

图6 不同环境温度时电机瞬态效率

由图6可知，在70 ℃时，电机的瞬态效率最高，从0 ℃开始，随着温度上升，电机的瞬态效率不断升高，从0 ℃的65.79%上升到70 ℃的72.10%。

3 结 语

本文借助Maxwell软件对永磁电机进行二维电磁场分析以及起动转矩、起动电流以及起动效率研究，设置0 ℃、15 ℃、20 ℃、25 ℃、30 ℃、35 ℃、70 ℃的环境温度，获得不同环境温度下永磁电机的起动转矩、起动电流以及起动效率的变化情况。研究结果表明：环境温度对永磁电机的起动转矩、起动电流以及起动过程中的效率影响不大，但随着温度升高，起动转矩的最大转矩存在下降趋势；三相起动电流以及起动过程中的效率均有上升趋势；0 ℃与70 ℃相比，最大转矩下降13.39 N·m；三相电流在0 ℃时最小，分别为574.301 A、531.346 A、452.907 A，在70 ℃时，三相电流最大，分别为576.042 A、533.954 A、449.256 A；电机的效率在70 ℃的时候最高，为72.10%，之后随着温度下降不断下降，0 ℃时的效率最低为65.79%。