永磁同步电机转子风刺长度对转子温升的影响外文翻译资料

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永磁同步电机转子风刺长度对转子温升的影响

曹小华，魏恒，王鑫

关键词：起重机用永磁同步电机；温升变化；转子风刺长度

中图分类号：TM301.4

0 引言

永磁同步电机的空载磁场由永磁体磁极产生，取消了传统电励磁电机中的励磁绕组，因此永磁同步电机具备结构简单、损耗小、效率高、功率因数高、功率密度高的特点，在起重、机床、矿山、冶金、油田、电力、化工、电梯等各工业领域中有着广泛的应用前景。

近年来对起重机用永磁同步电机的研究已有一些，文献[1]对永磁电机的各项损耗进行了分析，并验证了永磁电机温升计算方法的有效性。但是对于永磁同步电机转子端面风刺长度对转子温升的影响，相关研究资料很少。

1 电机模型及基本假设

1.1 电机计算模型

为了研究永磁同步电机的温度分布，需要用数值方法分析其三维稳态温度场 ^[5]。运用传热学^[6]的相关理论知识对永磁同步电机的温度场进行求解，在笛卡儿坐标系下，三维导热方程可以表示为如下形式：

（1）

电机的绝热面和散热面边界条件如下：

电机的绝热面: （2）

电机的散热面： （3）

式中，是需要得到的温度，单位为K；是电机材料在x方向的导热系数、是电机材料在y方向的导热系数、是电机材料在z方向的导热系数，它们的单位为W/(m·K)；是电机内单位体积产生的热源，单位为W/m³；是电机散热面的散热系数，单位为W/(m²·K)；是与电机散热面接触的流体温度，单位为K。

永磁同步电机内流体流动满足物理守恒定律，其中基本的守恒定律包括：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律，假设流体为不可压缩且处于稳定流动状态，则三维流体的控制方程可表示为如下形式：

（4）

式中，u是速度在x方向上的分量、v是速度在y方向上的分量、w是速度在z方向上的分量, 它们的单位为m/s; Gamma;是扩展系数；S是源项；phi;是通用变量；p是流体密度，单位为kg/m³。

1.2 基本假设

在分析计算电机的温升时，先在求解区域内做出如下的基本假设^[7]：

（1）在分析温度分布时，不考虑极弧对其造成的影响；

（2）文中的永磁同步电机采用分布式绕组，在建模时，不考虑绕组的弯曲部分，而用直线棒代替其端部；

（3）根据周向对称性，将电机的机壳、转子铁心、定子铁心、转轴以及气隙等部分的断面看做绝热面；

（4）在进行软件仿真时，对于机壳外表面、定子端面和转子端面的散热系数，只考虑它们的平均值。

1.3 电机参数

本文研究的对象为一台4极18槽永磁同步电机，额定功率为7.5KW，额定工作电压为380V。电机内含有许多螺栓、轴承等小部件，对温升结果影响不大且不利于计算，为了便于分析，对电机三维模型进行如下简化处理：

不考虑电机的螺栓、轴承等对有限元分析结果影响不大的零件，只对电机定子、绕组、转子、永磁体、转轴、机座这几个影响温升的主要部分进行建模分析，其简化后的3D建模如图1所示。

1.定子铁芯 2.定子绕组 3.转子铁芯

4.永磁体 5.转轴 6.机座 7.键 8.转子风刺

图1 永磁同步电机的简化模型

电机的定子铁芯的材料为硅钢片，其厚度为0.5mm；定子绕组的材料为铜，用漆包线绕制而成；转子铁芯的材料也为硅钢片，其厚度为0.5mm；永磁体材料为N30SH型号的磁钢，共4个以插入式结构安装在转子表面；转轴的材料为45号钢，用于加机械负载；机座的材料为铸铁，用来固定铁芯和绕组；键的材料也是45号钢。电机各部分材料的参数见表1。

表1 电机各部分材料的参数

材料	导热系数（w/m·℃）	密度 （kg/m3）	比热（J/kg·℃）
45号钢	50.2	7850	434
硅钢片	40（纵） 0.95（横）	7650	465
铜	379	8900	386
铸铁	40	7800	470
N30SH磁钢	7.7	8100	120
等效气隙	0.061	2.1	780
空气	0.031	1.3	1004

2内热源及各部分的散热系数

首先通过实验记录下电机在额定工况下的各种损耗数值，然后运用永磁同步电机相关知识^[8]，推导出电机主要部分散热系数的计算公式并计算出电机各主要部分的散热系数，为后文的仿真分析做准备。

2.1 永磁同步电机的内热源

电机的内热源主要包括定子铜耗、定子铁耗、永磁体涡流损耗、转子铁耗、杂散损耗等，通过实验得到文中永磁同步电机在额定工况下的损耗分布如表2所示。

表2 永磁同步电机的损耗分布

位置分布	定子铜耗	定子铁耗	涡流损耗	转子铁耗	杂散损耗
损耗（W）	718	857	374	135	291.67

2.2 机壳表面的散热系数

当流体与机壳表面直接接触，并且机壳表面温度高于流体平均温度时，就有热量从机壳表面传给流体度定义为初始温度。故在外界与机壳表面之间存在对流散热过程。假设机壳外表面的温且和外围空间温度相同，那么机壳表面的传热系数可按下式计算:

（5）

式中，alpha;₀是平静空气中发热表面的散热系数，其值为14；k是气流吹拂效率的系数，其值为0.5；v是端面气体的流度；theta;是机壳壁外面的温度。

2.3定、转子表面的散热系数

当电机在工作的过程中，由于定子结构产生的热量，必然会在定子和转子两大结构之间发生热量的传递。其中一部分热量通过气隙传递到转子结构，再由转子结构中的永磁体、转子铁心和转轴它们之间与外界环境的热交换散发到周围空气中，还有一部分热量通过定子端面直接散发到电机内部的冷却空气中。因此定、转子与电机内部空气之间的对流换热系数可按下式计算：

（6）

式中，alpha;为散热系数；v是端面气体的流度。

由式（5）和式（6）可以计算出文中永磁同步电机机壳外表面、定子端面、转子端面的散热系数如表3所示。

表3 各部分散热系数

机壳外表面	12.99 W/m2·℃
定子端面	15.2 W/m2·℃
转子端面	22.2 W/m2·℃

3风刺长度对转子温升的影响仿真

3.1电机整体温升仿真结果

将电机的主要内热源值、计算出的散热系数和电机模型导入ANSYS WORKBENCH中进行温度仿真分析，得到的电机整体温度分布仿真结果如图2所示。

图2电机整体的温度分布

3.2风刺长度不同时转子温升仿真结果

由图2可知，由于转子风刺的存在，转子部分的温升比定子部分要低很多，因此可以推论出转子风刺对转子的散热影响很大，为了分析转子风刺长度对转子温升的具体影响，将电机模型的转子风刺长度分别设为5mm、10mm、15mm、20mm，然后导入ANSYS WORKBENCH中进行温度仿真，观察比较转子的温升情况。

3.2.1 风刺长度为5mm时

图3是转子风刺长度为5mm时转子的温度分布。由图3可知，转子风刺长度为5mm时，转子中部的温度最高，最高温度为90.3℃。

图3风刺长度为5mm时转子的温度分布

3.2.2 风刺长度为10mm时

图4是转子风刺长度为10mm时转子的温度分布。由图4可知，转子风刺长度为10mm时，也是转子中部的温度最高，最高温度为88.5℃，相较于风刺长度为5mm时温度有些下降。

图4风刺长度为10mm时转子的温度分布

3.2.3 风刺长度为15mm时

图5是转子风刺长度为15mm时转子的温度分布。由图5可知，转子风刺长度为15mm时，仍然是转子中部的温度比其他部位高，最高温度为85.4℃，相较于风刺长度为10mm时温度又下降了一些。

图5风刺长度为15mm时转子的温度分布

3.2.1 风刺长度为20mm时

图5是转子风刺长度为20mm时转子的温度分布。由图5可知，转子风刺长度为20mm时，转子风刺附近的温度最高，最高温度为92.5℃，相较于之前的风刺长度温度明显上升了很多，且超过了无风刺时转子的温升。

图6风刺长度为20mm时转子的温度分布

将转子风刺长度为5mm、10mm、15mm、20mm时转子的温升情况进行汇总，绘制出转子最高温度与平均温度随风刺长度变化曲线，如图7所示。

图7转子温度随风刺长度变化

4.结论

通过对永磁同步电机转子风刺长度为5mm、10mm、15mm、20mm时转子的温升情况进行分析和对比，可以得出以下结论：

（1）在永磁同步电机运行时，转子端面风刺的存在对转子温升有着很大的影响，在设计永磁同步电机转子和分析电机转子热学性能时，要注意考虑风刺的长度。

（2）通过适当增加转子端面的风刺长度，可有效提高了转子的散热能力。随着风刺长度的增加，端腔空气的流速逐渐增大，散热条件逐渐改善，但空气摩擦损耗也随之加大，导致转子温升出现先降低后升高的趋势。由此，选择合适的风刺长度能有效地降低永磁同步电机转子的温升。

（3）在改变转子端面的风刺长度过程中，转子温升存在最小值，研究温升最小值时转子风刺的长度对电机的热学性能有着重要意义。

应用CS和WSN技术改善水产品监控系统的冷冻冷链物流效率

摘要

无线传感网络（WSN）在食品冷链物流领域得到了广泛的应用，然而，传统的监测系统需要有效的实时传感器数据传输，这将导致数据传输堵塞和通信系统过载，从而减少数据收集和传输的效率。本研究旨在开发一个基于结合了压缩感知的无线传感网络的冷冻冷藏水产品（MS-FCAP）温度监测系统来改善MS-FCAP的效率。本文通过对冷冻冷藏水产品冷链物流的温度及相关信息需求的分析，阐述了包含了稀疏采样、数据重建和贮藏寿命预测的CS模型的设计方法。该系统是在通往海南和北京的冷链物流中实施和评价的。评估结果表明，MS-FCAP在变温和恒温条件下的温度数据重建有很高的精确度。结果还表明，MS-FACP能够精确高效地恢复传感器样本数据，在冷链物流中反映出冷藏卡车的实时温度变化，并提供有效的决策支持的可追溯性来保障冷冻冷藏水产品的质量安全。

1.背景介绍

无线传感网络（WSN）已经在许多领域得到了广泛应用，如：食品冷链物流、农业、环境监测、重工业等等。WSN是结合了传感器技术、嵌入式计算技术、网络技术、无线通信技术和分布式处理技术的新技术学科。它感知和收集监控对象的信息并且通过无线和多跳网络将信息发送到终端用户。无线传输通讯方式相比传统有线传输有许多优点——维护成本低、机动性高、灵活性好和在特殊场合快速部署等等。然而

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