高速永磁电机定子温度场的计算与分析_

高速永磁电机设计与分析技术综述发表时间：2019-03-12T15:54:10.803Z 来源：《电力设备》2018年第27期作者：付涛[导读] 摘要：随着科学技术的发展，高速永磁电机在工业上的应用得到了一定程度的重视。

（广东德昌电机有限公司广东省深圳市 518125）摘要：随着科学技术的发展，高速永磁电机在工业上的应用得到了一定程度的重视。

相较于普通电机，高速永磁电机的设计虽然仍需遵循基本的电磁原理，但是由于其具有体积小和转速高等多方面的特点，所以就需要解决高转速为其带来的一系列问题。

而就目前而言，高速永磁电机的设计技术的核心是电机转子和定子的设计，而电机分析技术的核心是对电机损耗、转子强度和温升计算的分析。

基于此，本文主要对高速永磁电机设计与分析技术进行分析探讨。

关键词：高速永磁电机；设计；分析技术综述1、前言与传统电机相比，高速电机无需借助复杂的、维护困难的变速装置，可直接与高速负载或原动机相连，具有功率密度高、体积小、效率高、可靠性高、运行成本低的优点，因此在高速机床、鼓风机、压缩机、透平式膨胀机、微型燃气轮机等领域具有广阔的应用前景，得到了广泛关注。

永磁直流电机、绕线直流电机、实心转子异步电机、线绕转子同步电机、感应子电机、开关磁阻电机等均可应用于高速场合。

2、高速永磁电机设计技术综述2.1电机转子设计在高速永磁电机运行的过程中，转子会进行高速的旋转。

所以，伴随着电机的运转，因旋转产生强大的离心力需要转子具有更高的强度，而因摩擦产生的高温也容易对转子转轴和轴承的结构进行破坏。

所以，想要保证电机的稳定运行，就需要使转子在具有一定的强度的同时，具有低损耗和耐高温的特性。

而想要达成这些目的，就需要从转子的材料和结构的设计上来进行考量。

一方面，在材料设计上，现在通常使用的都是具有较高矫顽力的铁氧体或者稀土永磁材料。

而之所以选择这种材料，首先是因为材料本身具有较小的温度系数，可以在高温时维持转子的稳定的转矩特性。

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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钕铁硼永磁同步发电机三维温度场有限元计算摘要：钕铁硼永磁同步电机进行热分析，得到了钕铁硼电机的整体温度场分析及线圈绕组的最高温度。

同时通过对电机进行温升实验，分析结果与实验数据基本一致，证明了电机三维模型简化合理，采用的计算方法正确。

说明该分析方法对于此类型的钕铁硼永磁电机设计与优化具有一定的参考意义。

关键词：钕铁硼；永磁同步发电机；温度场；有限元计算1 引言在钕铁硼永磁同步发电机的设计中，对电机温度场仅作二维分析是不够的。

为了提高计算的准确度，需对电机作三维温度场分析，以此指导设计。

本文以一台1.5kW钕铁硼永磁同步电机为例，采用有限元法分析电机三维温度场，`在负载状态下得到电机定子溢度分布。

根据三维稳态温度场方程和相应的边界条件，采用有限元分析方法，分析和计算了钕铁硼永磁同步发电机的三维温度场，计算结果与实测值基本相符。

2 钕铁硼永磁同步发电机特点钕铁硼永磁电机与传统的旋转电机和机械转换结构驱动方式相比，具有功率密度大、控制精度高、响应快、推力大、增加编码器定位精度高等优点。

可以提高机床进给驱动的速度、精度和效率，目前已被广泛应用于电火花成型机、高速磨床、高速加工中心、电梯、汽车等设备中[1]。

随着永磁钕铁硼材料的发展与应用，永磁电机得以高速发展，研究开发经验逐步成熟。

但与旋转电机一样，线圈绕组及铁芯发热会给永磁钕铁硼电机带来以下不利因素：温升过高，降低电机使用寿命；温度升高，导致工钕铁硼磁性能降低；电机受电流限制，不能产生更大的转矩[2]。

设计有效的永磁钕铁硼电机冷却系统，是提升其性能的不二途径。

3 数学模型基本假设条件为了便于分析，缩短分析时间，适应大部分计算机。

假设电机处于稳定导热状态，电机各部分热量传递依照传导和对流换热进行，不考虑辐射影响，电机几何尺寸一定，物理性参数一定。

不饱和温度场方程三维稳态温度场方程可描述为；用LDL分解法或商斯消元法解上述，J程组，就可得到物域中各节点的温度。

基于Motor-CAD的永磁同步电机的温度场分析摘要：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。

二、电机的损耗分析（一）电机的铁耗分析三、电机的温度场分析本文以一台额定功率为80kw，额定转速1150rpm的电动客车用永磁同步电机为分析模型，基于Motor-CAD热路仿真软件对电机进行了温度场仿真，仿真模型如图3-1所示，包含了电机轴、壳体、定子铁芯、转子铁芯、定子绕组、永磁体和电机端盖部分。

永磁同步风电机组发电机定子温度建模方法摘要：定子温度在发电机运行过程中会不断变化，定子温度会随着机组运行时间的增加而升高。

当定子绕组温度达到一定值时，发电机就会启动。

当发电机启动时，转子上的转子和机座之间的摩擦导致定子温度升高而使发电机转子绕组升温。

关键词：风力发电；风电机组；定子；永磁同步发电机；温度数据分析引言本文以定子转子绕组及转子绕组为例对定子温度进行建模研究；并将该方法应用于某发电机中分析了定子温度对发电机性能带来影响；然后通过分析定子温度建模方法计算结果得知该发电机定子电压为3.7 kV/5 kW时，电流密度6.9 A/m2· h；转子间温度为470℃~610℃。

最后计算得出定子温度满足风场运行要求。

并通过仿真验证了该方法的可行性和有效性。

结论该方法能较为准确地描述发电机定子绕组对温度变化与转速变化关系之间的响应规律，为风机温度模拟提供了一定参考依据。

一、理论分析本文所提出的基于温度源的发电机定子温度模型算法基于 Friedman定子温度源方程，并且将温度源作为二值化温度系数，与二值化温度曲线进行耦合，通过求解的结果可得发电机工作时的温度。

如图1所示，永磁同步风机在直流系统中发挥作用，是一种高效型直流电机。

它可以将直流电转变成交流电，从而产生电能。

可以使电机转子获得正磁场，将转子上产生热量加热，从而产生热量使电机做功。

发电机作为电能来源，同时也为转子提供恒定磁场对电流进行反馈。

因此，发电机在电流作用下得到很大热量，引起线圈局部发热发烫，进而引起发电机故障而导致发电机运行不稳定影响发电功率输出。

所以本文在定子工作时引入能量来提高工作效率进行补偿。

如图2所示，将永磁体中存在电流时发电机将产生正磁场并且产生电压，通过对电压电流进行测量将数据传送到计算机完成整个过程并存储于数据库中。

根据公式可以得到：(1）式中 u为转子转矩； A为电流功率； B为磁极电流密度； S为转子绕组电阻， R为电机转速； D为转子轴转动惯量； f为永磁体本身体积重量； r为励磁电流与转矩速度之比。

高速永磁同步电机转子瞬态温度场解析解贾修建;孙岩桦;程文杰;刘中华;虞烈【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2016(000)005【摘要】在转子的热设计中,很自然地有如下要求:在已知转子内热源的条件下,确定转子需要多大的对流换热系数以及相应气隙流体温度,使得转子局部最高温度不超过设计值.内热源已知的条件下,实验测量转子温度和气隙流体温度便可得到相应的对流换热系数.为解决高速永磁电机转子热设计问题,本文给出了转子温度场的解析解.首先将时变的且含内热源的传热方程无量纲化,然后利用傅里叶积分变换法求解,其中轴向分布不均的对流换热系数和气隙流体温度用等效的对流换热系数和等效气隙流体温度代替.通过与有限元计算结果对比,验证了该解析解的正确性.获得了一类高速永磁电机转子在各种散热因素作用下的稳态最高温度分布图,为转子的热设计提供了理论支持.【总页数】6页(P1-6)【作者】贾修建;孙岩桦;程文杰;刘中华;虞烈【作者单位】西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室,西安710049;西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室,西安710049;西安科技大学理学院,西安710054;西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室,西安710049;西安交通大学机械结构强度与振动国家重点实验室,西安710049【正文语种】中文【中图分类】TM351【相关文献】1.激光辐照下多层圆柱体中的三维瞬态温度场解析解 [J], 尹益辉;王伟平;陈裕泽2.激光辐照下多层圆柱体中三维瞬态温度场的解析解 [J], 尹益辉;王伟平;陈裕泽3.应用网络拓扑法计算循油冷却交流同步发电机转子瞬态温度场 [J], 葛红绢;张稼丰4.简化瞬态导热物体温度场解析解研究 [J], 林瑞泰5.CPL冷凝单管液体段瞬态温度场解析解 [J], 卢文强因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

永磁同步电机性能分析摘要：在永磁同步电机的设计制作中，时刻都要关注降低电机损耗，提高电机运行的效能。

关键词：永磁同步电机；性能；分析；首先我们看电机的损耗，在已知电机参数电阻R1、X1、X ad、X aq和E0的情况下，就可以计算不同功角下永磁同步电机的性能。

1 绕组计算绕组直流电阻式中电阻率为式中α为铜材半导体电阻的温度变化系数，铜材电阻α≈0.004/。

C。

计算绕组损耗时，要考虑折算到相应的基准工作温度。

一般在75。

C。

考虑集肤效应，绕组交流电阻应为式中k1r为电枢绕组的集肤效应系数。

用圆导线双线并绕的定子电枢绕组，输入工频电流时电枢绕组铜损耗2 电枢铁损耗式中p t1d、p j1d可以根据磁密查系数和铁芯的损耗系数曲线计算得到；v t1、v j1定子齿部和铁芯共轭部的体积；k1和k2为考虑由于机械加工和磁场的分布不均匀等原因而引进的损耗系数，小型电机k1=2.5，k2=2.0。

3.杂散损耗杂散作用产生的辐射损耗主要原因是由于在电磁场的高次杂散作用谐波和电磁铁芯中的开槽谐波引起的高次杂散及该谐波在电磁铁芯中高次杂散作用产生的电磁能量辐射损耗，计算困难且不准确。

常用到的经验函数计算公式：4.机械损耗机械损耗p fw是风摩损耗。

小型永磁电机，参考感应电机的经验公式计算。

接着，我们看电磁转换。

1.给定功角θ2.已知U、E0、R1、X1、Xd、Xq直轴电流Id交轴电流I q3.计算功率因素4.确定气隙磁通5.输出功率和效率计算电磁功率和功角特性1.输入功率2.电磁功率只考虑主要损耗定子绕组的电阻r1较小，忽略其影响，电磁绕组的功率为3.电磁转矩将上式两端同除以机械转矩的夹角速度ω，得电磁转矩下面，我们研究影响电机性能的因素。

由上式可以看出：异步起动永磁牵入同步电机的功率和电磁转矩由上式第一项永磁转矩和上式第二项磁阻转矩两个组成部分共同构成，磁阻转矩的功率和大小直接影响电机永磁牵入起动的同步，由上式第二项可以很清楚地看出磁阻转矩的大小是由电机的交轴和直轴电抗之间的x q、x d的倒数差大小决定的。

电机绕组温度场分析及优化研究电机是现代工业中不可或缺的重要设备之一，其核心部件之一就是绕组。

绕组既是电机的能源转换介质，也是决定电机性能的关键因素之一。

电机的功率、效率、寿命等等指标都与绕组的质量有着紧密的关系。

近年来，电机绕组的温度场分析及优化已成为电机行业研究的热点之一。

一、电机绕组的温度场分析方法在电机运行中，由于绕组内部的电磁感应发热和电阻发热作用下，绕组温度会逐渐升高。

由于各个部分的绕组结构不同，所以在绕组温度分布上也会存在差异。

因此，进行电机绕组温度场分析，有利于优化绕组结构，提高电机的功率密度和效率。

目前，电机绕组温度场分析的方法主要有以下三种：1. 数值模拟法数值模拟法是目前研究电机绕组温度场分布的常用方法。

其基本思想是建立电机绕组的数学模型，通过计算机模拟的方式分析电机在不同工况下的温度场分布情况。

具体来说，数值模拟法常用的软件包括ANSYS、FLUENT等。

2. 实验方法实验方法是通过实验手段，测量电机绕组在不同负载条件下的温度变化情况，并根据测量结果进行分析和优化。

常用的实验手段有红外线热像仪、热电偶、纤维光学传感器等。

3. 解析方法解析方法是建立基于物理原理的电机绕组温度场分布模型，在此基础上，通过解析计算得出温度场分布的解析解。

常用的解析方法包括有限元法、有限体积法、边界元法等。

二、电机绕组的温度场优化方法电机绕组的温度场分布是影响电机整体性能的重要因素之一，因此，研究绕组结构优化方法，是提高电机功率密度和效率的关键。

目前，有许多方法可以有效地优化电机绕组的温度场分布，其中最常用的包括以下几种。

1. 涂层技术涂层技术是在绕组表面喷涂一层专门的保护性材料，目的是提高绕组的热稳定性和导热性。

常用的涂层材料包括氧化铝、氮化硅、热沉淀镀层等。

2. 合理铺绕合理铺绕是指将绕组的导体线依据其规格和结构特点，按照一定的规律分布在绕组槽中。

通过优化绕组的排列方式、导体线的集中密度、绕组的长度等参数，可以使绕组温度场分布更加合理，提高其工作效率。