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清华大学学报(自然科学版)  2018, Vol. 58 Issue (1): 67-74    DOI: 10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.22.009
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集总参数热路结合温度场和流场的电机永磁体温升分析方法
曾颖宇, 蒋晓华
清华大学 电机工程与应用电子技术系, 北京 100084
Lumped parameter thermal circuit method combined with temperature field and flow field analyses for temperature predictions of permanent magnets in motors
ZENG Yingyu, JIANG Xiaohua
Department of Electrical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China
全文: PDF(2543 KB)  
输出: BibTeX | EndNote (RIS)      
摘要 烧结钕铁硼永磁体电导率高,永磁体内涡流有导致永磁体热失磁的风险,因而电机永磁体的温升分析非常重要。该文提出一种基于集总参数热路的永磁体温升分析方法,用有限元法分析定子温度场得到定子等效热路参数,用计算流体动力学方法分析定子开槽下的气隙热阻。应用该方法分析了一台30 kW 4极电机的永磁体温度,与红外测温结果相比,在永磁体涡流损耗较大的脉宽调制(PWM)电压激励的情况下,永磁体与定子外圆温度差的计算值与实验测量值相差小于3.7%。采用该方法能较准确地根据电机定子外圆温度预测电机转子永磁体温度。
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曾颖宇
蒋晓华
关键词 永磁体温升分析热路温度场流场    
Abstract:Sintered Nd-Fe-B permanent magnets (PM) have high electrical conductivity, but eddy currents in the PMs may cause thermal demagnetization, so the temperatures of the PMs in motors must be known. A lumped parameter thermal circuit method is presented in this paper to predict the temperature rise in the PMs using an equivalent thermal circuit for the stator obtained by a temperature field analysis, and the air gap thermal resistance obtained by a computational fluid dynamics analysis including the stator slot opening. The PM temperature of a 30-kW 4-pole motor is analyzed by this method. The predictions compare well with measurement by an infrared sensor for a pulse width modulation (PWM) voltage excitation case with significant eddy current losses in the PM with less than 3.7% error in the temperature difference between the PM and the outer stator surface. The PM temperature in the motor can be well predicted by this method from the temperature of the outer stator surface.
Key wordspermanent magnet    temperature analysis    thermal circuit    temperature field    flow field
收稿日期: 2017-03-01      出版日期: 2018-01-15
ZTFLH:  TM351  
通讯作者: 蒋晓华,教授,E-mail:jiangxiaohua@tsinghua.edu.cn     E-mail: jiangxiaohua@tsinghua.edu.cn
引用本文:   
曾颖宇, 蒋晓华. 集总参数热路结合温度场和流场的电机永磁体温升分析方法[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2018, 58(1): 67-74.
ZENG Yingyu, JIANG Xiaohua. Lumped parameter thermal circuit method combined with temperature field and flow field analyses for temperature predictions of permanent magnets in motors. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2018, 58(1): 67-74.
链接本文:  
http://jst.tsinghuajournals.com/CN/10.16511/j.cnki.qhdxxb.2018.22.009  或          http://jst.tsinghuajournals.com/CN/Y2018/V58/I1/67
  图1 集总参数热路结合温度场和流场的永磁体温升分析流程
  图2 表贴式永磁电机转子的集总参数热路
  图3 表贴式永磁电机的几何结构
  表1 电机定子温度场分析中的几何参数
  表2 流场分析中槽口和气隙的几何参数
  表3 转子热路分析中的几何参数
  表4 电机材料热导率
  表5 永磁电机的各项损耗
  图4 定子温度场分析结果(31 5 0H zPWM)
  图5 气隙中的径向流速分析结果
  图6 定子开槽时转子表面对流换热系数与经验公式(无槽)的对比
  表6 转子热路的集总热阻
  表7 转子永磁体温度的热路法分析结果
  图7 实验采用的永磁同步电机
  图8 实验测得的永磁体升温曲线
  图9 永磁体与定子外圆温度差分析与实验测量结果对比
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