变频控制下永磁同步电机温度场分析_丁树业_郭保成_冯海军_章艺_王海涛_郭长光
采用强迫风冷的压缩机用永磁电机三维温度场分析
理论与设计采用强迫风冷的压缩机用永磁电机三维温度场分析高俊1孙晓明2王谨1于占洋11沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心（110870)2沈阳鼓风机集团通风装备科技有限公司（211169 )Analysis on Three-dimensional Temperature Fieldof the PM Motor by Forced Air Cooling Used in CompressorsGAO Jun' SUNXiaoming2WANG Jin' YU Zhanyang11Shenyang University of Technology,National Engineering Research Center for REPM Electrical Machines2 Shenyang Blower Group Ventilation Equipment Technology Co.,Ltd.摘要：对一台采用强迫风冷的压缩机用内置式永 磁同步电机的三维温度场进行建模和分析。
首先，根据 永磁电机的设计参数，对气隙导热系数进行了等效计算；在此基础上，根据散热风扇的流量计算出永磁电机 机壳表面的风流速.进而得到不间型号风扇作用下电机 机壳边界处的散热系数。
最后，基于有限元仿真对电机 的三维温度场进行了计算，对不同风速冷却下电机的温 度场分布情况进行了分析。
关键词：强迫风冷压缩机用永磁同步电机三维温度场有限元仿真中图分类号：T M351文献标识码：ADOI 编码：10.3969/j.issn.l006-2807.2020.06.004Abstract: Taking an interior permanent magnet synchronous motor by forced air cooling used in compressors as researched subject, model o f the three-dimensional temperature field is established and analyzed. First, co-efficiency of thermal conductivity of the air gap is calculated equivalently in accordance with design parameters of the PM Motor. And then, based above foundation, wind velocity over the motor housing surface is calculated according to flow volume of the cooling fan, so as to achieve the different co-efficiency of heat dissipation at boundary of motor housing corresponding to operation of the different models of the fan. Finally, the three-dimensional temperature field of the motor is calculated based on finite element simulation, the temperature field distribution of the motor is analyzed.Keywords: forced air cooling PMSM used in compressors three-dimensional temperature field finite element simulation随着对永磁材料和永磁电机的不断研究和开发，调速永磁电机被越来越广泛地应用于空气 压缩机中。
车用永磁同步电机三维温度场分析
车用永磁同步电机三维温度场分析刘 蕾 刘光复 刘马林 朱标龙合肥工业大学,合肥,230000摘要:为了研究车用永磁同步电机的温度场,以一台额定功率为25k W 的车用永磁同步电机为研究对象,基于传热学基本理论,建立其三维求解域模型,通过仿真分析,得出了电机额定工况下的温度场及温升变化,并对连续变功率工况下的电机内关键部分的温升进行仿真分析,以研究车辆实际行驶时电机温度场的变化情况㊂通过搭建的实验平台,对电机工作在额定工况和连续变工况条件下的温升进行了测试㊂经对比分析,实验数据与仿真数据误差较小,验证了仿真的正确性㊂关键词:永磁同步电机;温度场;额定工况;变功率中图分类号:TM 351 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.11.004A n a l y s i s o nT h r e e ‐d i m e n s i o n a l T e m p e r a t u r eF i e l do f P e r m a n e n tM a g n e t S yn c h r o n o u sM o t o r i nV e h i c l e s L i uL e i L i uG u a n g f u L i u M a l i n Z h uB i a o l o n gH e f e iU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,H e f e i ,230000A b s t r a c t :I no r d e r t o s t u d y t e m pe r a t u r ef i e l do fP M S M u s e d i nv e h i c l e s ,a r a t e d p o w e r o f 25k W P M S Mi nv e h i c l e sw a s t a k e na s t h e r e s e a r c ho b je c t ,a n d i t s t h r e e ‐d i m e n s i o n a l s o l u t i o nd o m a i nm o d e l w a s b u i l t b a s e do n t h eb a s i c t h e o r y of h e a t t r a n s f e r .T h em o t o r ’s s t e a d y s t a t e c o n d i t i o n t e m pe r a t u r ef i e l d a n d t h e t e m p e r a t u r e r i s e c h a ng e sw e r e d e r i v e d th r o u g h si m u l a t i o n a n a l ys i s .A l s o ,t h e s i m u l a t i o n a n a l y s i s o n t e m p e r a t u r e r i s e o f t h ek e ypa r t s i nt h em o t o rw a s c a r r i e do u tu n d e r c o n t i n u o u sv a r i ab l e p o w e rw o r k i n gc o nd i t i o n s ,f o r t he s a k e of s t u d y i ng th e c h a n g e si nm o t o r t e m p e r a t u r e f i e l d u n d e r a c t u -a l d r i v i n g c o n d i t i o n so ft h ev e h i c l e .B yb u i l d i n g a ne x pe r i m e n t a l p l a tf o r m ,t h ee f f e c t i v et e s t so f m o t o r ’s t e m p e r a t u r e r i s ew e r ec a r r i e do u tu n d e rr a t e do p e r a t i ng co n d i t i o n sa n dc o n t i n u o u sv a r i a b l e w o r k i n g c o n d i t i o n s .B y c o n t r a s t a n da n a l y s i s ,e x pe r i m e n t a l d a t aa r e c l o s e t os i m u l a t i o nd a t a ,w h i c h v e r if i e s t h e a c c u r a c y of t h e s i m u l a t i o n .K e y wo r d s :p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r (P M S M );t e m p e r a t u r ef i e l d ;r a t e dc o n d i t i o n ;v a r i a b l e p o w e r收稿日期:20141217基金项目:国家科技支撑计划资助项目(2013B A G 13B 00);量产小型纯电动轿车平台及产业化开发和国家新能源汽车技术创新工程项目0 引言随着电动汽车技术[1]的不断发展,电动汽车结构越来越复杂,性能越来越好,速度和安全性大幅度提升㊂为满足这些要求,必须保证电动汽车驱动系统[2‐3]的高性能㊂电机作为驱动系统的关键部件,既需要其具有功率密度高㊁启动转矩大㊁调速范围宽等条件,还要保证其具有体积小㊁质量轻㊁效率高的特点㊂与普通电机相比,车用永磁同步电机在工作过程中由于高性能要求而产生的电磁负荷和热负荷也高,而过高的热负荷直接影响电机效率㊁寿命和可靠性㊂因此,对车用永磁同步电机的温度场进行研究具有切实的实践意义和工程价值㊂近年来,国内外专家对永磁同步电机的温度场进行了大量研究㊂丁树业等[4]以一台表贴式永磁同步电机为例,计算了变频控制条件下电机内定子㊁转子及永磁体的温度场分布;张琪等[5]以永磁同步电机为例,计算了电机的铁耗㊁计及趋肤效应的交流绕组铜耗,对电机内部温度场进行了分析;程树康等[6]以微型车用风冷和水冷电机为例,通过热网络法和有限元法计算电机温度场,并对其散热结构进行了优化;N o l l a u 等[7]设计了新型的电机冷却方法,通过制冷涡流管降低电机温度㊂以上研究主要针对电机稳态工况下的温度场分布和材料特性等㊂本文以一台额定功率为25k W 的车用永磁同步电机为例,建立了电机的三维温度场求解域模型,基于流固耦合仿真方法对电机工作在额定工况及连续变功率工况下的温度场进行了仿真分析,得到了电机的温度场及其内部关键部分的温升变化㊂为了验证仿真的可靠性,本文搭建了实验平台,参照仿真工况对电机进行了实际的温升实验,并对实验数据和仿真数据进行了对比分析㊂1 电机模型确定及求解条件1.1 电机的基本参数本文以一台额定功率为25k W 的车用永磁㊃8341㊃中国机械工程第26卷第11期2015年6月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.同步电机为研究对象,电机散热采用强制水冷,电机基本参数如表1所示㊂表1 电机的基本参数额定功率(k W)峰值功率(k W)定子内径(mm)转子外径(mm)2550122120.6转子极数定子槽数线径(mm)线圈形式8480.9单层链式1.2 电机求解域模型的建立对本文所研究的车用永磁同步电机建立包含壳体㊁冷却水㊁定子㊁绕组㊁转子㊁永磁体和轴的物理模型,作为电机耦合场计算的求解域模型,如图1a所示,图1b所示为流过电机内冷却水形状㊂(a)求解域模型(b)冷却水形状图1 电机的物理模型在计算电机温度场过程中,根据传热学基本理论,在笛卡儿坐标系内,需满足的通用导热微分方程和边界条件[8]可表示为∂∂x(λx ∂T∂x)+∂∂y(λy∂T∂y)+∂∂z(λz∂T∂z)+q v=ρc∂T∂τT|S1=T W-λ(∂T∂n)S2=q0λ∂T∂n S3=-α(T-T füþýïïïïïïïï)(1)式中,λx㊁λy㊁λz为电机内各介质x㊁y㊁z方向的热导率, W/(m㊃K);T为物体的温度,K;q v为热源密度,W/m3;ρ为物体的密度,k g/m3;c为物体的质量热容,J/(k g㊃K); T W为边界温度值,K;τ为时间项,s;S1㊁S2㊁S3为物体边界;T f为流体温度,K;α为流体与壁面间的表面对流换热系数,W/(m2㊃K)㊂电机散热过程中,在冷却液的流动状态为紊流的条件下,需满足相应的三维控制方程:∂∂τ(ρϕ)+d i v(ρuϕ)=d i v(ζg r a dϕ)+Sϕ(2)式中,ϕ为通用变量;ζ为扩展系数;Sϕ为源项;u为速度矢量㊂当电机温度场达到稳态时,式(1)导热方程和式(2)控制方程中均不含时间项㊂1.3 热源的计算电机工作过程中,永磁体和三相交变电流相互作用,电机内部形成交变磁场和旋转磁场㊂变化的磁场使永磁体和硅钢片产生磁滞损耗和涡流损耗㊂电流流经铜导线发热产生铜耗㊂根据电机结构及材料参数,利用有限元法对电机的磁场进行仿真,并进一步分析计算得到电机在额定工况和峰值工况下的定子转子铁芯损耗㊁铜损耗和永磁体涡流损耗㊂铁芯损耗的计算是电机损耗计算的一个难点,本文采用B e r t t o t t i铁耗分离模型,主要包括磁滞损耗㊁涡流损耗和异常损耗,其单位质量计算公式为P=P h+P c+Pε=K h f B2+K c f2B2+Kεf1.5B1.5(3)式中,P为铁芯损耗,W;P h为磁滞损耗,W;P c为涡流损耗,W;Pε为异常损耗,W;f为交变电流频率,H z;B为磁密幅值,T;K h为磁滞损耗系数;K c为涡流损耗系数;Kε为异常损耗系数㊂电机运行时,接入三相交流电流经绕组产生的铜损耗可按下式计算:P C u=m∑(I2R)(4)式中,P C u为绕组损耗,W;m为电流相数;I为电流有效值,A;R为平均电阻值,Ω㊂永磁体涡流损耗相对较小,但其散热条件较差,较小的损耗亦会引起较高的发热量,这里根据常用的数值方法进行计算,体积为V的永磁体涡流损耗可按下式计算:P e a v=∫V J J*2σd v(5)式中,P e a v为永磁体涡流损耗,W;J为永磁体涡流密度, A/m3;J*为涡流密度的共轭,A/m3;σ为永磁体的电导率,Ω-1㊂通过计算后得到电机在额定工况下工作的主要损耗值,如表2所示,电机在峰值工况下工作的主要损耗值如表3所示㊂表2 额定工况下主要损耗值W 损耗类别定子铁耗铜耗转子铁耗永磁体损耗损耗值4834373314表3 峰值工况下主要损耗值W 损耗类别定子铁耗铜耗转子铁耗永磁体损耗损耗值10679428634 1.4 绝缘层的等效计算电机定子槽内由铜导线和多种绝缘材料(槽绝缘㊁浸滞漆㊁漆膜和槽楔)填充㊂在计算电机温度场时,由于各种绝缘材料分布不均㊁体积小,并且难以剖分,故需要将铜导线和绝缘材料合理等效㊂本文按照质量不变的原则,将铜导线和多种绝缘材料等效为两层接触的等效导热体,如图2所示㊂等效后,等效导热体的热导率[9]可按下式㊃9341㊃车用永磁同步电机三维温度场分析 刘 蕾 刘光复 刘马林等Copyright©博看网. All Rights Reserved.图2 绕组及绝缘层的等效计算:λe=∑n i=1δi∑n i=1(δi/λi)(6)式中,λe为等效导热体的热导率,W/(m㊃K);λi为各种绝缘材料的热导率,W/(m㊃K);δi为各种绝缘材料的等效厚度,m㊂1.5 定转子间气隙的等效计算电机定转子之间气隙的等效是电机温度场计算中的难点㊂仿真过程中,若定转子是相对运动的,则仿真难度大大增加㊂因此为了降低仿真的难度,在仿真过程中假定转子是静止的,这样定转子之间流动的气隙层可以等效为静止的气隙层,同时定转子之间的传热主要由对流换热转变为导热换热㊂本文引入气隙层的等效热导率λa i r,等效热导率[10]根据流体气隙的流动状态作如下处理㊂等效气隙层的雷诺数:R e=πd2g n160γ(7)式中,d2为电机转子外径,m;g为气隙厚度,m;n1为转子转速,r/m i n;γ为空气运动黏度系数,m2/s㊂气隙的临界雷诺数:R e c r=41.2d1g(8)式中,d1为定子铁芯内径,m㊂当等效气隙层的雷诺数小于临界雷诺数时,气隙流动为层流流动,可取等效热导率为空气的热导率;当等效气隙层的雷诺数大于临界雷诺数时,气隙流动为紊流流动,这里气隙的等效热导率按下式计算:λa i r=0.0019(d2d1)-2.9084R e0.4614l n(3.33361d2d1)(9) 1.6 电机壳体与定子装配间隙的等效计算电机在装配过程中,电机壳体和定子之间由于加工工艺和装配等因素,不能完全接触,这直接影响电机内部的传热,所以在求解电机温度场的过程中,必须考虑电机壳体与定子之间的装配间隙,文献[11]说明了装配间隙对电机温升的影响㊂本文将电机壳体和定子之间装配间隙等效成一层薄空气,空气的等效厚度[12]按下式计算:h a i r=10-5(0.5+3D0)(10)式中,h a i r为装配间隙等效厚度,m;D0为定子外径,m㊂2 电机温度场的仿真分析2.1 假定条件为了合理简化计算,作出以下基本假设:(1)根据车用永磁同步电机的结构和散热特性,认为在仿真过程中,热量主要被冷却水带走,电机机壳外表面与空气之间的换热可忽略;(2)电机工作中,定转子铁芯损耗均匀分布在定转子上,涡流损耗均匀分布在永磁体上,铜耗均匀分布在绕组上;(3)电机工作过程中产生的机械损耗主要分布在轴承上,在计算电机温度场时,不考虑机械损耗;(4)忽略辐射换热对电机温度场的影响;(5)忽略因电机温升引起的热导率和散热系数的变化;(6)冷却水在电机内流动过程中,速度远小于声速,即马赫数很小,在计算电机温度场时,将冷却水视为不可压缩流体㊂2.2 额定工况下电机温度场的仿真及分析2.2.1 边界条件的确定电机工作在额定工况条件下,仿真给定的边界条件如下:(1)冷却水入口为速度入口边界条件,入水口流速为0.63m/s,入水口温度为60℃;(2)冷却水出口为压力出口边界条件;(3)仿真过程中流体与固体的接触面均设为无滑移边界;(4)电机内各零件的端面散热系数参考文献[10]进行处理㊂2.2.2 额定工况下电机温度场的求解依据电机的求解域模型,利用C F X软件对电机温度场进行求解㊂将式(3)~式(7)的计算结果及相应的边界条件,输入到仿真软件中对应部分,求解电机温度场㊂当电机温度场达到稳态时,仿真结果如图3所示㊂图3a所示为电机求解域内的温度场,其中绕组区域温升明显,且其端部温升最高,端部温升为31.97℃,最高温度为91.97℃㊂图3b反映了电机内部温度梯度沿径向的变化㊂图3c所示为绕组沿轴向的温度分布,绕组端部温升高于绕组中间区域温升㊂电机绕组的散热主要是绕组与定子㊃0441㊃中国机械工程第26卷第11期2015年6月上半月Copyright©博看网. All Rights Reserved.(a)电机求解域温度场云图(b)电机径向温度场云图(c)电机绕组温度分布云图图3 仿真结果槽接触的导热换热和绕组与端部空气的对流换热㊂电机工作过程中,由于其结构封闭,绕组端部与空气换热效果不佳,而定子槽能够直接接触绕组,能够带走更多热量,因此绕组沿轴向温度分布不均㊂电机绕组㊁定子㊁转子和永磁体在额定工况下温度变化曲线如图4所示,达到稳态时,绕组温度最高,永磁体温度次之,转子和定子温度相对较低㊂且通过仿真得到电机内各部分在0~20m i n内电机温度上升较快,20m i n 之后温度上升缓慢,趋于稳定的结论㊂图4 电机各部分温升曲线2.3 变功率工况下电机温度场的研究电动汽车在实际工作过程中,因驾驶需求,不会一直持续工作在额定工况下㊂本文基于与额定工况相同的车用电机求解模型,设计了两种变功率工况来对电机温度场进行研究㊂这两种变功率工况为行驶路况较差和路况较好,下文称电机主额定工况和电机主峰值工况㊂主额定工况时,即电动汽车行驶区域路况较差,电机运行的功率应有所限制㊂运行在大功率工况的时间短于运行在小功率工况的时间㊂为了研究方便,设计出简化的工况如图5所示㊂在20m i n 时间内,电机在额定功率下工作50s,在峰值功率下工作10s ,电机功率周期性循环变化㊂图5 主额定工况下电机功率变化对电机温度场进行研究的目的主要是防止电机温升过高带来绕组绝缘的损坏和永磁体的退磁,进而影响电机的效率和可靠性㊂绕组和永磁体作为电机内关键部件,其温升变化可作为电机温升的参考指标㊂因此,当电机工作在变功率工况条件下时,可以通过描述绕组和永磁体的温升变化来说明电机的温升变化㊂主额定工况下电机内绕组和永磁体温度变化如图6所示,电机绕组温度随时间波动性上升,趋于波动性平衡状态,永磁体温度在一定时间后呈波动性平衡状态,波动幅度较小㊂在20m i n 时,绕组温度达到105.3℃,永磁体温度达到89.05℃㊂图6 主额定工况下绕组和永磁体温升曲线主峰值工况时,即电动汽车行驶在路况较好的条件下,电机在大功率工况下工作时间可以延长㊂同理,设计出简化路况如图7所示㊂取电机在20m i n 工作时间内,电机在额定功率下工作㊃1441㊃车用永磁同步电机三维温度场分析刘 蕾 刘光复 刘马林等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.10s ,电机在峰值功率下工作50s ,电机功率周期性循环变化㊂经仿真计算,绕组和永磁体的温度变化如图8所示,电机绕组和永磁体在工作一定时间后,温度均趋于波动性平衡状态,绕组温升波动明显㊂在20m i n 时,绕组温度达到122.4℃,永磁体温度达到100.1℃,主峰值工况温升较主额定工况温升高㊂图7主峰值工况下电机功率变化图8 主峰值工况下绕组和永磁体温升曲线通过对车用电机工作在连续变工况条件下的仿真分析,近似模拟了电机实际工作过程中的温度变化㊂3 实验验证与仿真计算的对比分析根据电机温度场的仿真分析及实践经验可知,电机绕组端部温升较高,热量不易散出,因此在实验中将温度传感器埋在绕组端部㊂实验中,电机㊁控制器㊁测功机冷却水管连接完成后的实物图见图9㊂图9 综合实验台3.1 额定工况下实验值与仿真值的比较在额定工况下,连接㊁调试设备后,设置与仿真分析时相同的水道环境,即设置初始进水口水温为60℃,并设置水流速度为10L /m i n,通过上位机设定电机转速为3000r /m i n,输出功率为25k W ㊂最终得到电机绕组端部温升曲线仿真值和实验值,如图10所示㊂图10 额定工况下绕组实验值和仿真值的比较比较实验值和仿真值,在额定工况下,仿真值高于实测值㊂在40m i n 时,仿真值高于实验值1.8℃,仿真值与实验值的误差为1.9%,因此仿真是准确可靠的㊂3.2 变功率工况下实验值与仿真值的比较在主额定工况下,得到的绕组端部温升实验值和仿真值结果如图11所示㊂经对比分析知,在20m i n 时,仿真值高于实验值1.02℃,仿真值与实验值的误差为1%,且仿真温度值和实验温度值在随时间变化过程中,温差波动变化均在合理范围内,因此仿真结果可信度较高㊂图11 主额定工况下绕组实验值和仿真值的比较在主峰值工况下,相应的实验过程同前述㊂如图12所示,在20m i n 时,得到的绕组端部温升仿真值比实验值高3.17℃,仿真值与实验值的误差为2.58%,误差较小,且温差变化范围合理,仿真结果可信度较高㊂图12 主额定工况下绕组实验值和仿真值的比较㊃2441㊃中国机械工程第26卷第11期2015年6月上半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.4 结论本文以一台额定功率为25k W的车用永磁同步电机为研究对象,通过建立其热力学模型,仿真分析了在额定工况及变功率工况下电机各部分的温度及温升变化;并通过实验平台对等同于仿真工况的实际电机绕组温升情况进行测试,比较实测结果与仿真数据,最大误差控制在4%之内,证明了仿真的正确性㊂综上所述,对车用永磁同步电机进行温度场研究得出如下结论:(1)通过仿真分析得出了电机在额定工况下达到稳态时的温度场㊂仿真结果表明绕组和永磁体的温度较高,但均在电机的热设计要求范围内㊂(2)通过仿真分析得到了电机工作在主额定工况和主峰值工况下绕组和永磁体的温度变化曲线㊂电机工作到20m i n时,主额定工况下最高温度为105.3℃,主峰值工况下最高温度为122.4℃,均大于电机工作在额定工况下的温度㊂因此对电机工作在瞬态条件下温度场进行研究是必要的㊂(3)对电机工作在额定工况和变功率工况下的仿真值和实验值进行比较,误差率最大不超过4%,验证了仿真模型和仿真分析的正确性,能够对电机设计提供一定的参考㊂参考文献:[1] 王丹,续丹,曹秉刚.电动汽车关键技术发展综述[J].中国工程科学,2013,15(1):68‐72.W a n g D a n,X u D a n,C a oB i n g g a n g.O v e r v i e w o nK e y T e c h n i q u e s o fE l e c t r i cV e h i c l e[J].E n g i n e e r i n gS c i e n c e s,2013,15(1):68‐72.[2] 李静,程小华.永磁同步电动机发展趋势[J].防爆电机,2009,44(5):1‐4.L i J i n g,C h e n g X i a o h u a.T h eD e v e l o p m e n tT r e n do fP MS y n c h r o n o u sM a c h i n e[J].E x p l o s i o n‐p r o o f E l e c-t r i cM a c h i n e,2009,44(5):1‐4.[3] 彭海涛,何志伟,余海阔.电动汽车用永磁同步电机的发展分析[J].装备机械,2010,43(6):78‐81.P e n g H a i t a o,H eZ h i w e i,Y u H a i k u o.D e v e l o p m e n tA n a l y s i s o nP e r m a n e n tM a g n e tS y n c h r o n o u s M o t o ri nE l e c t r i cV e h i c l e[J].E q u i p m e n tM a c h i n e r y,2010,43(6):78‐81.[4] 丁树业,郭保成,冯海军,等.变频控制下永磁同步电机温度场分析[J].中国电机工程学报,2014,34(9):1368‐1375.D i n g S h u y e,G u o B a o c h e n g,F e n g H a i j u n,e ta l.T e m p e r a t u r eF i e l d I n v e s t i g a t i o n o f P e r m a n e n tM a g-n e t S y n c h r o n o u sM o t o r sC o n t r o l l e db y t h eF r e q u e n-c y C o n v e r s i o n C o n t r o lS y s t e m[J].P r o c e ed i n g so ft h eC S E E,2014,34(9):1368‐1375.[5] 张琪,鲁茜睿,黄苏融,等.多领域协同仿真的高密度永磁电机温升计算[J].中国电机工程学报,2014, 34(12):1874‐1881.Z h a n g Q i,L uX i r u i,H u a n g S u r o n g,e t a l.T e m p e r-a t u r eR i s eC a l c u l a t i o n so fH i g hD e n s i t y P e r m a n e n tM a g n e tM o t o r sB a s e do n M u l t i‐d o m a i nC o‐s i m u l a-t i o n[J].P r o c e e d i n g so ft h eC S E E,2014,34(12): 1874‐1881.[6] 程树康,李翠萍,柴凤.不同冷却结构的微型电动车用感应电机三维稳态温度场分析[J].中国电机工程学报,2012,32(30):82‐90.C h e n g S h u k a n g,L i C u i p i n g,C a i F e n g.A n a l y s i so ft h e3DS t e a d y T e m p e r a t u r eF i e l do f I n d u c t i o n M o-t o r sw i t hD i f f e r e n tC o o l i n g S t r u c t u r e s i n M i n iE l e c-t r i cV e h i c l e s[J].P r o c e e d i n g s o f t h eC S E E,2012,32(30):82‐90.[7] N o l l a uA,G e r l i n g D.A N e w C o o l i n g A p p r o a c hf o rT r a c t i o n M o t o r si n H y b r i d D r i v e s[C]//E l e c t r i cM a c h i n e s&D r i v e sC o n f e r e n c e(I E M D C).C h i c a g o: 2013:456‐461.[8] 付兴贺,林明耀,徐妲,等.永磁‐感应子式混合励磁发电机三维暂态温度场的计算与分析[J].电工技术学报,2013,28(3):107‐113.F uX i n h e,L i nM i n g y a o,X uD a,e t a l.C o m p u t a t i o na n dA n a l y s i s o f3D‐t r a n s i e n tT e m p e r a t u r eF i e l d f o raP e r m a n e n t M a g n e t‐i n d u c t i o n H y b r i d E x c i t a t i o nG e n e r a t o r[J].T r a n s a c t i o n so fC h i n aE l e c t r o t e c h n i-c a l S o c i e t y,2013,28(3):107‐113.[9] 张琪,王伟旭,黄苏融,等.高密度车用永磁电机流固耦合传热仿真分析[J].电机与控制应用,2012,39(8):1‐5.Z h a n g Q i,W a n g W e i x u,H u a n g S u r o n g,e t a l.H e a tT r a n s f e r S i m u l a t i o n o f H i g h D e n s i t y P e r m a n e n tM a g n e t M o t o rf o r V e h i c l e s B a s e do n F l u i d‐S o l i dC o u p l i n g M e t h o d[J].E l e c t r i c M a c h i n e s&C o n t r o lA p p l i c a t i o n,2012,39(8):1‐5.[10] 邰永,刘赵淼.感应电机全域三维瞬态温度场分析[J].中国电机工程学报,2010,30(30):114‐120.T a iY o n g,L i uZ h a o m i a o.A n a l y s i so n T h r e e‐d i-m e n s i o n a lT r a n s i e n tT e m p e r a t u r eF i e l do fI n d u c-t i o n M o t o r[J].P r o c e e d i n g so f t h eC S E E,2010,30(30):114‐120.[11] 胡田,唐任远,李岩,等.永磁风力发电机三维温度场计算及分析[J].电工技术学报,2013,28(3):122‐126.H uT i a n,T a n g R e n y u a n,L iY a n,e t a l.T h e r m a lA n a l y s i s a n d C a l c u l a t i o n o f P e r m a n e n t M a g n e tW i n dG e n e r a t o r s[J].T r a n s a c t i o n so fC h i n aE l e c-t r o t e c h n i c a l S o c i e t y,2013,28(3):122‐126.㊃3441㊃车用永磁同步电机三维温度场分析 刘 蕾 刘光复 刘马林等Copyright©博看网. All Rights Reserved.[12] 靳廷船,李伟力,李守法.感应电机定子温度场的数值计算[J ].电机与控制学报,2006,10(5):492‐497.J i n T i n g c h u a n ,L i W e i l i ,L iS h o u f a .N u m e r i c a l C a l c u l a t i o n a n dA n a l ys i s o f S t a t o rT h e r m a l F i e l d i n a n I n d u c t i o n M a c h i n e [J ].E l e c t r i c M a c h i n e sa n d C o n t r o l ,2006,10(5):492‐497.(编辑 袁兴玲)作者简介:刘 蕾,女,1979年生㊂合肥工业大学机械与汽车工程学院博士㊂研究方向为新能源汽车用电机系统及其控制㊂刘光复,男,1945年生㊂合肥工业大学机械与汽车工程学院教授㊁博士研究生导师㊂刘马林,男,1990年生㊂合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士研究生㊂朱标龙,男,1990年生㊂合肥工业大学机械与汽车工程学院硕士研究生㊂轮履复合救援机器人的乘适性分析与优化李 浩1,3侍才洪3 康少华2 张西正31.天津理工大学,天津,3003842.军事交通学院,天津,3001613.军事医学科学院,天津,300161摘要:研究了一种新型轮履复合式救援机器人,它可通过轮履结构的转换在灾难现场等复杂环境中高效地解救和运送伤员㊂出于对解救伤员在运送过程中安全性㊁舒适性的考虑,对救援机器人以轮式状态运送伤员的过程进行了振动分析,并利用A D AM S 建立救援机器人轮式结构的动力学模型,对其在实际路况的运行进行了仿真分析㊂考虑人体不同部位不同方向具有不同的频率加权,利用MA T L A B设计相应滤波器对仿真所得振动曲线进行处理以计算救援机器人的乘适性㊂以获取更好的乘适性为目标,通过MA T L A B 优化工具箱对救援机器人悬架参数进行了优化设计,并进一步验证了优化结果的合理性㊂关键词:轮履复合;动力学分析;乘适性;优化设计中图分类号:T P 242.6 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.11.005A n a l y s i s a n dO pt i m i z a t i o no fR i d eC o m f o r t f o r aW h e e l ‐t r a c k e dR e s c u eR o b o t L iH a o 1,3 S h i C a i h o n g 3 K a n g S h a o h u a 2 Z h a n g X i z h e n g31.T i a n j i nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,T i a n j i n ,3003842.M i l i t a r y T r a f f i c I n s t i t u t e ,T i a n ji n ,3001613.A c a d e m y o fM i l i t a r y M e d i c a l S c i e n c e ,T i a n ji n ,300161A b s t r a c t :T h i s p a p e r p r e s e n t e dan e wk i n do fw h e e l ‐t r a c k e dr e s c u e r o b o t ,w h i c hc o u l de f f i c i e n t l ys e a r c ha n d t r a n s p o r t t h ew o u n d e d i n t h e d i s a s t e r s i t e s a n do t h e r c o m p l e xe n v i r o n m e n t s b y c o n v e r t i n gt h e s t r u c t u r e b e t w e e nw h e e l a n d t r a c k .C o n s i d e r i n g t h e s a f e t y a n d c o m f o r t o f t h ew o u n d e d ,t h i s p a pe rf o c u s e do n t h e v i b r a t i o n a n a l y s i s d u r i ng th e t r a n s p o r ti n g o f t h ew o u n d e d ,a n d u s e d t h em u l t i ‐b o d y d y -n a m i c s s o f t w a r eA D AM S t oe s t a b l i s ht h e r e s c u e r o b o t ’sd yn a m i c sm o d e l .T h i sm o d e lw a s a b o u t t h e s i m u l a t i o na n a l y s i s o f t h eo p e r a t i o n i nt h ea c t u a l r o a dc o n d i t i o n s .C o n s i d e r i n g di f f e r e n t p a r t so f t h e h u m a nb o d y h a v e d i f f e r e n t f r e q u e n c y w e i g h t i n g fu n c t i o n s i nd i f f e r e n t d i r e c t i o n s ,t h e s i m u l a t i o n c u r v e s h o u l db e p r o c e s s e db y t h ec o r r e s p o n d i n g f i l t e rd e s i g n e db y MA TL A Bt oc a l c u l a t e t h er o b o t ’s r i d e c o m f o r t .T a r g e t t o b e t t e r r i d e c o m f o r t ,t h e s u s p e n s i o n p a r a m e t e r s s h o u l d b e r e d e s i g n e d b y t h eMA T -L A Bo p t i m i z a t i o n t o o l b o x e s .A n dt h e f u r t h e r s i m u l a t i o no u t c o m e sd e m o n s t r a t e t h e r a t i o n a l i t y o f t h e o pt i m i z a t i o n r e s u l t s .K e y wo r d s :w h e e l ‐t r a c k e d ;d y n a m i c s a n a l y s i s ;r i d e c o m f o r t ;o p t i m i z a t i o nd e s i g n 0 引言近年来国内外对救援机器人的研究开发日益重视,并已取得显著成就[1]㊂目前的救援机器人不仅能够探测发现伤者,还具有转运伤员的功能,收稿日期:20140709基金项目:军队重大专项(B S 312C 002);军事医学科学院创新基金资助项目(2012C X J J 007)比较典型的有日本救援机器人R o b o C u e㊂本文研究的救援机器人是一种应用于灾难现场救援的机器人,具有搜救并转送伤员的功能㊂由于救援机器人的工作环境通常为复杂多变㊁不可预测的非结构环境,故为了提高救援效率,救援机器人采用轮履复合式结构[2]㊂救援机器人解救的多为骨折㊁烧伤㊁大量出血㊃4441㊃中国机械工程第26卷第11期2015年6月上半月Copyright ©博看网. 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舵机用永磁同步电机的设计与温度场分析
关键 词 ：永磁 同步 电机 低 转 动惯 量 有 限元法 损耗 三维 温度 场 中图分 类号 ：Ｔ Ｍ３ １ ５
Ｄｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ＰＭ ＳＭ ｆ ｏ ｒ Ａｃ ｔ ｕａ ｔ ｏ ｒ ａ ｎｄ Ｉ ｔ ｓ Ｔｅ ｍ ｐｅ ｒ ａ ｔ ｕｒ ｅ Ｆｉ ｅ ｌ ｄ Ａｎａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
子 绕组 形 式和槽 极 数配 合做 了较 为合 理 的选 择 ，确 定 了电机 基 本尺 寸 。 电机 电磁 场 有 限元分 析 结 果 表 明 ， 电机 具有 较 高 的电气性 能。 由于 电机 功 率 密度 高 ，电磁 有效 部位 细长 ， 电机 转速 较高 ，
电机 温升 问题 突 出。根 据传 热 学理论 ，建 立 了永磁 同步 电机 三维 瞬态 温度场 求 解模 型 ，确定 了表 面散 热 系数 。通过 有 限元分 析得 到 了电机 定 子绕 组铜 耗 、定 子铁 心铁 耗 以及 永磁 体 和 转子 护套 内 的涡 流损 耗 。将定 子槽 内和端部 处 导 线分别 等效 成 若干个 导 热体 、分 布排 列 ，得 到 了更加 符合 实
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ａｃ ｃ ｏ ｒ ｄ ｉ ｎ ｇ ｔ ｏ ｈ ｉ ｇ ｈ ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ ｐ ｅ ｒ ｍａ ｎ ｅ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｓ ｙ ｎ ｃ ｈ ｒ ｏ ｎ ｏ ｕ ｓ ｍｏ ｔ ｏ ｒ （ Ｐ ＭＳ Ｍ） ｃ ｈ ａ ｒ ａ ｃ ｔ ｅ ｒ ｉ ｓ ｔ ｉ ｃ ｓ ｏ ｆ
陈益 广 郑 军 魏 娟 ２ 郑再 平 ２ 郭喜 彬 ２
（ １ ．天 津大 学智 能 电网教 育部 重 点实验 室 天津 ３ ０ ０ ０ ７ ２ ２ ．北京精 密机 电控 制设备 研 究所 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 京 １ ０ ０ ０ ７ ６）
基于ANSYS的永磁同步电机温度场分析专题资料集锦(一)
device. This is particular important for PMSMs since it also
influences the magnetic flux produced by the permanent magnets.
8.Rotor surface ferrite magnet synchronous machine for generator
6.Thermal analysis of an interior permanent magnet synchronous
traction motor for high speed railway applications In this paper thermal behavior of a 600kW 4200r/min interior permanent magnet synchronous motor (PMSM) with forced ventilation in the stator was analyzed using Fluent. Due to its high power density and compact structure, accurate thermal analysis of PMSM traction machine is of great importance in designing and optimizing. Different structures of stator ventilation are evaluated and the square ventilation structure in the inner surface of house is selected.
小型永磁同步电机温度场分析中几个关键问题的解决方法
关键词: 永磁电机; 温度场; 导热系数; 传热系数
中图分类号: T M 351. 014
文献标识码: A
Some Ways of Solving the Key Problems when Analysing the Temperature Field in the Permanent Magnet Synchronous Motor
陈 远1, 樊亚东1, 江 政1, 程 程2
( 1. 武汉大学, 武汉 430072; 2. 华中科技大学, 武汉 430074)
摘 要: 为优化 小型永磁 电机的 设计, 就小型 永磁 同步电 机温度 场分析 计算中 的几个 关键 问
题 ) ) ) 热源、复合材料的导热系数、散热面的散热系数等的分析和计算提出了解决方法。
5 Jx 53 5x 5x
+ 5 Jy 53 5y 5y
+ 5 Jz 53 5z 5z
= - qv ( 1)
式中, T 为物体的温度; J 为材料导热系数; qv 为内 热源强度。
对导热微分方程的求解可以归为一个边值问题
5
53
5
53
5
53
Jx
+
Jy
+
Jz
= - qv
5x 5x
5y
5y
5z 5z
3 | # = 3X
业生产和日常生活的各个领域[ 1, 2] 。 准确的温度场分析对 小型永磁电机 的优化设
计是很有必要的。一般地, 温度场的分析都采用有 限元法( FEM) , 这种方法把小型电机作为一个整体 进行分析。可以分析出电机各部分温度场的分布, 特别最热部分的温度场分布, 这对于电机散热系统 的优化设计或判断散热系统的性能起到指导作用。 而 F EM 对温度场进行分析时, 关键的几个问题是
永磁电机三维温度场计算与分析
永磁电机三维温度场计算与分析杨明国;张松【摘要】本文以某型永磁电机为例，建立永磁电机的三维周期对称模型，采用有限体积法，对其在额定功率下的温度场进行了计算。
通过温度场数值计算结果与实测数据对比，验证了所建模型的合理性，为该种永磁电机发热的仿真计算提供了参考依据。
%Based on one permanent magnet motor, a 3D, periodical and symmetrical model is established, where the temperature field under rated power using the FVM (finite volume method) is calculated. By comparison the numerical s,imulation with measurement results, it proves that the established temperature flied model is reasonable, which is a good reference to the temperature field calculation this kind motor【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2012(032)012【总页数】4页(P8-10,14)【关键词】永磁电机;温度场;流体场;CHT【作者】杨明国;张松【作者单位】海军驻七一二研究所军代室,武汉460064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言温升是考核永磁电机的一个重要指标[1]。
永磁电机结构复杂，其温度场的准确计算很大程度上取决于冷却系统内冷却介质的流动情况。
目前大多数文献都是采用有限元法，将冷却系统内冷却介质温度场的影响转换为对流换热系数，将其作为边界条件加载到电机温度场计算中[2,4]。
永磁同步电机三维全域温度场分析
永磁同步电机三维全域温度场分析摘要：永磁同步电机在变频供电情况下，其磁场中的谐波含量大，从而产生大量的涡流损耗和谐波铁耗，导致电机运行时温度升高，使电机内温度过高会导致永磁体产生退磁现象，而永磁体电磁性能又将直接影响电机效率、使用寿命及运行可靠性等，因此，有必要准确地分析并掌握永磁同步电机内三维温度场分布及流体场流动特性，本文以某一永磁同步电机建立包含电机散热结构在内的三维模型，对该永磁同步电机进行内部温度场及流体场进行计算分析，着重分析其主要部件的温升分布特性。
关键词：永磁同步电机；三维全域；温度场分析1 引言目前，对电机温度场的分析主要采用的是简化公式法、等效热网络法和有限元法等，由于电机内部温度场的分布较为复杂，有限元法对电机定子、定转子全域进行了二维温度场计算，分析气隙温度和机壳表面散热的变化对定子温升的影响，采用有限元及网格进行电机温度场的分析。
2 模型确定及求解条件2.1 数学模型以某一永磁同步电机为例，对其进行三维稳态温度场及流体场数值的研究。
由传热学基本原理可知，对稳态温度场进行求解时，并且导热方程不含时间项，同时选用三维稳态含热源、各向异性介质的导热控制方程，在笛卡儿坐标系下，三维导热方程式如下：2.2基本假设永磁同步电机内定子绕组采用圆形散下线形式，绕组在槽内排列极不规则，为了合理简化求解过程，做出基本假设如下：只研究电机内流体流速的稳定状态，即定常流动，因而控制方程不含有时间项；2）定子槽内浸渍状态良好，浸渍漆填充均匀，且铜线绝缘漆分布均匀；3）端部股线采用平直化处理；4）槽内所有绝缘(包括槽楔)的热性能与主绝缘相同，槽内槽绝缘和铁心紧密结合在一起；5）因电机内流体流动时的雷诺数很大，故采用湍流模型对电机内的流场进行求解；6）在电机内流体流速远小于声速，即马赫数很小，故把流体作为不可压缩流体进行处理。
2.2 通风结构此永磁同步电机内流体流动情况复杂，电机外部采用强迫通风冷却系统，通过外部风机使空气在散热片间流动，从而带走电机内的热量，实现降低电机温升的目的。
基于Motor-CAD的永磁同步电机的温度场分析
基于Motor-CAD的永磁同步电机的温度场分析发表时间：2019-06-21T15:40:37.110Z 来源：《河南电力》2018年22期作者：徐鹏飞张侨[导读] 由于新能源电动汽车用永磁同步电机要求具有高功率密度，体积小，重量轻以及输出转矩大等特点，这需要电机具有较高的电负荷和磁负荷，然而这些都会产生较高的铜损和铁损，使电机发热过快，温升变高。
（武汉理工大学湖北武汉 430000）摘要：由于新能源电动汽车用永磁同步电机要求具有高功率密度，体积小，重量轻以及输出转矩大等特点，这需要电机具有较高的电负荷和磁负荷，然而这些都会产生较高的铜损和铁损，使电机发热过快，温升变高。
因此，针对永磁同步电机的温度场分析是十分有必要的。
本文以额定功率为80kw的电动客车用永磁同步电机为研究对象，通过热路法对该电机进行了温度场仿真，并通过实验验证了仿真的正确性。
关键词：新能源电动汽车；温度场仿真；热路法一、引言电机内部包括了定子铁芯、转子铁芯、轴、永磁体、绕组、轴承、壳体等部件，这些部件中所用材料、结构等都不尽相同，他们的导热性和产生的热能也不同，想要准确计算电机的各个部件的温升是非常困难的。
而电机的温升又对电机运行的性能影响非常大，当电机的温度过高时，不仅会导致永磁体剩磁密度的下降，甚至永久失磁；而且还会使电机绕组的绝缘层损坏，使电机无法正常运行。
因此电机的温度场仿真是电机生产实践中一个比较重要的环节。
随着电动汽车永磁同步电机的广泛研究，国内外的研究学者对永磁同步电机的温度场也做了大量的研究，文献[1]中对通过建立电机的三维模型对电机不同工况下的温度场进行了分析；文献[2]通过三维流固耦合的方法对高速永磁同步电机做了温度场分析并验证了仿真的正确性。
文献[3]通过新型的有限公式法建立水冷永磁同步电机的温度场数学模型，给出了该方法下的对流散热边界处理和编程实现的方法。
本文将通过Motor-CAD热路仿真软件来对一台额定功率为80kw的永磁同步电机电机损耗和温度场进行分析，并通过实验来验证仿真的正确性。
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第34卷第0期中国电机工程学报V ol.34 No.0 000.00, 20142014年0月00日Proceedings of the CSEE ©2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. 1 DOI：10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.00.000 文章编号：0258-8013 (2014) 00-0000-00 中图分类号：TM 341;TM 351变频控制下永磁同步电机温度场分析丁树业1，郭保成1，冯海军2，章艺2，王海涛1，郭长光1(1．哈尔滨理工大学电气与电子工程学院，黑龙江省哈尔滨市 150080；2．中船重工704研究所，上海市徐汇区 200031)Temperature Field Investigation of Permanent Magnet Synchronous Motors Controlled bythe Frequency Conversion Control SystemDING Shuye1, GUO Baocheng1, FENG Haijun2, ZHANG Yi2, WANG Haitao1, GUO Changguang1(1. College of Electrical and Electronic Engineering, Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, Heilongjiang Province, China; 2. 704 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation, Xuhui District, Shanghai 200031, China)ABSTRACT: The problems of harmonics and the heat of permanent magnet synchronous motors (PMSMs) are quite large when operating under the frequency conversion control system. The cooling structure of PMSM is usually complex. To research the temperature distribution of PMSM, a 50kW surface PMSM was taken as a research object in this paper, based on the computational fluid dynamics (CFD) and the numerical heat transfer theory. A three dimensional fluid flow and heat transfer model, including the complex fins, connecting box, etc., was set up by using a liquid-solid conjugate heat transfer approach. Thus, the temperature and fluid field of PMSM, operating under frequency conversion control, was simulated numerically using the finite volume method, the spatial temperature distributing characteristics of main components were analyzed. The correctness of the proposed model and the rationality of the solution method were verified by the thermal test of PMSM. This paper has a reference value and significant guideline for PMSM design.KEY WORDS: permanent magnet synchronous motor (PMSM); frequency conversion control; liquid-solid conjugate heat transfer; three-dimensional temperature field摘要：在变频控制下的永磁同步电机谐波含量大、发热严重，且散热结构复杂。
为研究其温升分布规律，该文以一台基金项目：国家自然科学基金项目(51277045)；黑龙江省自然科学基金(QC2012C109)；黑龙江省教育厅基金项目(12531112)；哈尔滨理工大学青年拔尖创新人才科学基金项目(201301)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51277045); Project Supported by Heilongjiang Provincial Natural Science Foundation of China (QC2012C109); Project Supported by Heilongjiang Provincial Education Foundation (12531112); Project Supported by Top Young Innovative Talents of HUST Foundation (201301). 50kW永磁同步电机为例，基于计算流体力学以及传热传质学基本理论，根据共轭传热原理，建立包含形状复杂的散热翅及接线盒等结构部件的三维流动与传热的物理模型。
应用有限体积元法，对变频供电情况下的永磁同步驱动电机内各部件温升及流体流动进行了数值求解，并着重分析了电机内主要结构部件的温升空间分布特性。
通过与实验数据的对比分析，验证了其计算结果的准确性以及求解方法的合理性，为中小型永磁同步驱动电机的设计提供一定的参考和实际工程价值。
关键词：永磁同步电机；变频控制；共轭传热；三维温度场0 引言永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)与传统电励磁电机相比，具有结构简单、可靠性强、效率高等诸多优点，因此PMSM 被广泛应用于能源、交通、石油、化工等各个领域[1-2]。
对可靠性要求较高的小型船舶而言，PMSM 的优势更为明显[2]。
然而，由于船舶用电机的工作环境及工作要求的特殊性，常采用变频控制对PMSM进行供电[3]。
变频供电情况下，PMSM磁场中谐波含量大，因此产生大量的涡流损耗和谐波铁耗，导致电机运行时温升过高。
电机内温度过高会导致永磁材料退磁现象的产生，而永磁体电磁性能又直接影响电机效率、使用寿命及运行可靠性等[4]。
因此，准确分析并掌握永磁驱动电机内温度分布规律具有一定的理论与实际工程价值。
近年来，国内外的一些专家学者采用集中参数热网络法[5]、有限元法[6-10]或有限体积元法[11-14]，对感应电机[6-10]、核主泵屏蔽电机[11]、大型风力永网络出版时间：2014-03-19 18:48网络出版地址：/kcms/detail/11.2107.TM.20140319.1848.005.html2 中国电机工程学报第34卷磁发电机[12-13]等进行了二维[6-10]或三维[11-13]的温升特性研究。
李伟力等以小型感应电机为例，采用有限元方法，对电机定子[6]及定转子全域[7-8]进行了二维温度场计算，分析了气隙温度和机壳表面散热翅的变化对定转子温升的影响；Y. J. Liu等采用耦合的热网络法及有限元法，进行了感应电机转子稳态三维温度场、热应力场的分析[9]；J. Xypteras将定转子之间的气隙作为一静止的导热介质，给出了相应的导热系数，将电机定转子二维温度场作为一个整体进行了联合求解[10]；丁树业等采用有限体积法对大型核主泵屏蔽电机[11]、永磁风力发电机[12-13]的三维温度场与流体场进行了耦合计算，对大型电机在不同工作环境[11-12]、不同工况情况下[12-13]的温度场行了数值分析。
为掌握电机内冷却介质的流动情况，通常采用有限体积法对温度场与流体场进行耦合计算[11-20]。
一些专家学者对水轮发电机[14-15]和汽轮发电机[16-18]内定子[14-15,17]、定子通风沟[14,17]及转子[18]内冷却介质流动情况进行了计算分析；文献[19-20]对永磁风力发电机内流体流动及传热性能进行了研究，具有一定的参考价值。
综上所述，已有文献中对中小型电机内温升方面的研究工作主要集中在二维温度场的分析计算，采用流热耦合方法对包含形状复杂的接线盒及散热翅的中小型PMSM三维温度场及流体场的研究还鲜见报道。
本文以一台50kW表贴式永磁同步驱动电机为例，建立包含电机散热翅及接线盒等结构在内的三维物理模型，基于流–热协同机理对电机内温度场及流体场进行了数值计算，得到了变频控制下永磁电动机内三维温度分布及流体流动特性，并搭建电机实验平台，进行电机温升实验，得到了详细的实验数据。
本文着重分析了电机主要部件的温升分布特性，且与实验数据进行了对比分析，验证了其计算结果的准确性与求解方法的正确性。
1 电机参数本文以一台50kW永磁双轴伸同步驱动电机为分析对象，对其在变频控制情况下电机内温升及流体流动进行了强耦合数值计算，电机的基本设计参数如表1所示。
考虑变频器谐波对电机内损耗的影响，采用有限元法对额定工况下电机内电磁场进行仿真计算，表1电机参数Tab. 1 Design parameters of the motor额定电压/V额定频率/Hz额定功率/kW额定转速/(r/min)外风机流量/(m3/h)380 50 50 1500 790得到其基本损耗分布，如表2所示。
表2变频供电状态下电机损耗及分布Tab. 2 Loss distribution of motor W位置分布定子铜耗定子铁耗永磁体涡流损耗转子铁耗杂散损耗损耗 718 857 374 135 291.672 模型确定及求解条件2.1 数学模型针对永磁驱动电机三维稳态温度场及流体场进行数值研究。
由传热学基本原理可知，对稳态温度场进行求解时，导热方程不含时间项，同时选用三维稳态含热源、各向异性介质的导热控制方程，在笛卡儿坐标系下，三维导热方程[21-22]可以表示为如下形式：f()()(,(,,)0,(,,)(),(,,)x y zT T Tk k k qx x y y z zx y zTx y znTk T T x y znΩα∂∂∂∂∂∂⎧++=−⎪∂∂∂∂∂∂⎪∈⎪⎪⎨∂=∈⎪∂⎪∂⎪−=−∈⎪∂⎩绝热面散热面(1)式中：T为固体待求温度，K；k x、k y、k z分别为求解域内各种材料沿x、y以及z方向的导热系数，W/(m⋅K)；q为求解域内各热源体密度之和，W/m3；α为散热表面的散热系数，W/(m2⋅K)；T f为散热面周围流体的温度，K。