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。