基于圆筒直线永磁电机磁-热耦合分析.pdf

第3 8卷 第3期 青 岛 大 学 学 报(工 程 技 术 版)V o l.3 8 N o.3 2 0 2 3年 9 月J O U R N A L O F Q I N G D A O U N I V E R S I T Y(E&T)S e p.2 0 2 3文章编号:1 0 0 6 9 7 9 8(2 0 2 3)0 3 0 0 8 1 0 7;D O I:1 0.1 3 3 0 6/j.1 0 0 6 9 7 9 8.2 0 2 3.0 3.0 1 2基于圆筒直线永磁电机磁-热耦合分析徐 冲a,赵清海a,b,姜 楠a,马开雨a(青岛大学 a.机电工程学院;b.电动汽车智能化动力集成技术国家地方联合工程研究中心,山东 青岛 2 6 6 0 7 1)摘要:针对直线电机在设计和使用过程中温度过高导致电机损坏的问题,本文对永磁同步直线电机(p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s l i n e a r m o t o r,PML S M)进行电磁热场有限元耦合分析。首先分析二维轴对称有限元稳态解的磁通密度分布和电机主要部分的损耗情况,将直线电机的定子铁芯、线圈绕组等部分损耗导入瞬态热力学分析中,最后利用有限元磁场结果进行三维有限元热分析,获得永磁直线电机的温度分布情况。仿真结果表明,在额定负载下,直线电机最高温度为7 9.7 5,温度最大值在线圈绕组,直线电机温度最低为5 1.2 5,满足设计需求。该研究对直线电机的设计和热分析具有一定的研究价值。关键词:直线电机;磁热耦合;瞬态热力学;损耗分析中图分类号:TM 3 5 9.4 文献标识码:A 收稿日期:2 0 2 2 0 7 1 8;修回日期:2 0 2 2 0 9 2 1基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 2 1 7 5 2 3 6)作者简介:徐 冲(1 9 9 9),男,硕士研究生,主要研究方向为直线电机多场耦合分析。通信作者:赵清海(1 9 8 5),男,博士,副教授,硕士生导师,主要研究方向为轻量化车辆结构设计。E m a i l:z q h b i t 1 6 3.c o m 直线电机由于具有体积小、推力大、结构简单、节约能源、功效高等特点1 2,广泛应用于机床、半导体制造工具、无绳提升机及高速输送机等3高速直驱直线运动场合。在实际工作中,电机会产生绕组损耗及定子铁芯损耗等,从而引起直线电机温度升高4 5,导致绝缘劣化、结构变形、PM不可逆退磁,甚至会完全失效6,严重影响直线永磁电机的使用7 8。同时,电机的温升计算在电机设计过程中具有重要意义,直线电机温度问题越来越受到人们的关注。因此,电机磁-热耦合有限元分析9在电机设计中至关重要。HAT Z I-ATHANA S S I OU V等人1 0 1 2通过有限元法求解磁热耦合的热模块分析,磁场部分通过等效电路处理的研究;T A R E K M T B等人1 3通过分析一款永磁辅助同步磁阻电机进行温度不均匀分布对电机不平衡磁力的影响,对电机的三维模型进行损耗计算,进行有限元温度仿真;GA R G V K等人1 4对屏蔽式感应电机进行了电磁-热耦合有限元分析;HUANG X Z等人1 5提供了一种往复直线运动气隙的建模方法,将线性机器分为3种类型,并对每种类型提供了合理假设,建立热回路与温度场的组合模型,计算管式直线电机的瞬态温升。基于以上研究,本文对永磁直线电机的磁热耦合进行有限元分析,建立磁热耦合的数学模型,运用直线电机的单向磁热耦合分析方法,在M a x w e l l中进行磁场分析,得到直线电机定子铁芯、绕组以及永磁体等的损耗,最后通过W o r k b e n c h软件进行瞬态热仿真分析,得到电机的温度分布情况。该研究为后续优化研究提供了参考。1 永磁直线电机结构及参数本文以圆筒形永磁同步直线电机为研究对象,散热方式为风冷,对其进行磁场和温度场瞬态仿真分析,通过设定次级的往复运动速度,计算磁场分布、感应电动势、损耗等。圆筒型永磁直线电机结构图如图1所示,直线电机包括定子齿部高度、定子外径、定子内径、槽数、永磁体高度、永磁体直径、极距、动子总长度、动青 岛 大 学 学 报(工 程 技 术 版)第 3 8 卷子有效长度等参数,圆筒型永磁直线电机参数如表1所示。图1 圆筒型永磁直线电机结构图表1 圆筒型永磁直线电机参数定子/mm外径轭高内径齿高长度槽宽/mm齿距/mm槽数/mm永磁体/mm高度直径导磁钢/mm高度直径动子/mm长度 总长度极距/mm总极数极对数绕组匝数7 032 92.32 5 24.46.73 61 52 8532 4 04 9 02 02 261 242 直线电机磁热耦合理论及有限元分析2.1 麦克斯韦方程组麦克斯韦方程组是描述电场、磁场及两者之间关系的一组偏微分方程1 6 1 7,电磁场理论的核心和电磁场分析的基础。积分形式的数学表达式分别为Hdl=(J+Dt)dS(1)Edl=-BtdS(2)SDdS=V1dV(3)SBdS=0(4)式中,为曲面边界;H为磁场强度;J为传导电流密度矢量;D/t为位移电流密度,A/m2;D为电通密度;E为电场强度,V/m;B为磁感应强度,T;l为自感系数,H;t为时间,s;1为电荷体密度,C/m3;V为闭合曲面S所围成的体积区域。将上述方程变换为微分形式,用有限元方法对电磁问题进行计算分析,其对应式为 H=J+Dt(5)E=-Bt(6)D=1(7)B=0(8)媒质的特性决定E、D、B、H4个场量间的关系,关系表达式为D=E,B=H,J=E(9)式中,为媒质的介电常数,F/m;为媒质的磁导率,H/m;为媒质的电导率,S/m。对于线性媒质,、是常数1 2。2.2 永磁直线电机磁场仿真结果给直线电机施加三相绕组电流,其表达式为28 第3期 徐 冲,等:基于圆筒直线永磁电机磁-热耦合分析1 0 2 s i n2 3 0 0 06 04t-2 ,1 0 2 s i n2 3 0 0 06 04t ,1 0 2 s i n2 3 0 0 06 04t+2 (1 0)在M a x w e l l中对直线电机的不同部分进行不同大小的网格划分等处理,通过仿真分析得到负载情况下的磁密云图,磁密分布图如图2所示。由图2可以得出,电机模型中只有部分齿部直角处的小区域内磁密幅值较高,磁通密度分布均匀,齿中部的磁密在2.3 T左右,轭部磁密小于2 T。磁力线分布图如图3所示。由图3可以看出,直线电机的磁力线分布均匀,电机设计的良好。图2 磁密分布图 图3 磁力线分布图2.3 直线电机损耗分析直线电机的损耗对电机的磁热耦合分析中的热场分析影响较大,直线电机的热源主要由定子铁芯损耗、绕组损耗以及永磁体涡流损耗引起。铁芯损耗主要包括磁滞损耗、涡流损耗及附加损耗3种情况。其中,磁滞损耗是由电机内主磁场改变引起,该改变为交变磁化或旋转磁化;附加损耗是由涡流分布不均和磁通密度波动引起,但所占损耗较小,可忽略不计。通过B e r t o t t i铁耗分离模型求解铁芯损耗,计算公式为PF e=Ph+Pc+Pe,Ph=Khf Bm,Pc=Kcf2T0dB(t)dt 2dt,Pe=Kef1.5T0dB(t)dt 1.5dt(1 1)式中,PF e为铁芯损耗;Ph为磁滞损耗;Pc为涡流损耗;Pe为附加损耗;Kh为磁滞损耗系数,W/k g;Kc为涡流损耗系数;Ke为附加损耗系数;f为交变电流频率,H z;Bm为磁通密度的幅值,T;B(t)为磁场波形。假设B(t)满足正弦条件,代入式(1 1),铁芯损耗计算公式为PF e=Khf Bm+Kcf2B2m+Kef1.5B1.5m(1 2)直线电机的定子铁芯损耗如图4所示。由图4可以看出,定子铁芯损耗在3 03 4 W范围内波动幅度小,平均值为2 8.9 7 W。线圈绕组铜耗如图5所示。由图5可以看出,绕组铜耗也是电机发热的主要因素,其值最终稳定在3 4.5 6 W。图4 定子铁芯损耗 图5 线圈绕组铜耗38青 岛 大 学 学 报(工 程 技 术 版)第 3 8 卷表2 直线电机主要部件损耗值定子铁芯损耗/W绕组铜耗/W永磁体涡流损耗/W总损耗/W2 8.9 73 4.5 64.2 5 86 7.7 9图6 PML S M磁热耦合流程 通过在M a x w e l l中计算可得到,直线电机主要部件损耗值如表2所示。在M a x w e l l生成的定子损耗、绕组损耗、永磁体损耗导入w o r k b e n t h瞬态热模块,在M a x w e l l中 建 立 三 维 模 型,导 入 瞬 态 热 模 块。PML S M磁热耦合流程如图6所示。3 永磁直线电机温度场仿真分析3.1 温度场数值分析模型和边界条件根据能量守恒定律及傅立叶定律,通过有限元方法的结构求解器求解结构温度场,其导热微分方程为 x2Tx2+y2Ty2+z2Tz2=-q+c12T(1 3)式中,x、y、z为电机各介质方向x、y、z的导热系数W,(m);T为温度,;q为热流密度,W/m3;c1为比热容,J/(k g);2为密度,k g/m3;为时间,s。对于稳态导热问题,介质的温度基本达到平衡,温度受时间变化影响较小,式中T近似为0。为求解上述方程,需确定求解域的边界条件。结合电机的基础理论及电机内部热量传递规律可知:1)第1类边界条件规定了物体边界面上的温度值,对于稳态导热问题,关系式为T|S1=T0(1 4)式中,S1为边界面;T0为给定的温度值。2)第2类边界条件规定了物体边界面上的热流密度值。对于稳态导热问题,关系式为-2Tn2|S2=q0(1 5)式中,2为垂直于物体表面的热传导率;q0为给定的边界面S2上的边界热流密度值;n2为表面的法线方向1 8 2 0。3.2 PML S M三维模型与热分析由于电机定子绕组中导线和绝缘层在槽内分布不均匀且不规则,因此,建立直线电机的三维模型时,需进行如下假设:定子绕组排列规则且不考虑温度梯度;绝缘漆均匀的分布于铜线表面;绝缘层与绕组紧密接触且完全充满定子槽内部。将定子绕组看作一个导热体,全部的绝缘结构看作另一个导热体,简化后定子绕组等效模型如图7所示。直线电机三维几何模型如图8所示。图7 简化后定子绕组等效模型 图8 有线电机三维几何模型48 第3期 徐 冲,等:基于圆筒直线永磁电机磁-热耦合分析 本文对直线电机的耦合分析是单向耦合,电机的生热率Q为Q=Wq/V(1 6)式中,Wq为电机的损耗,W;V为电机各部分体积,m3。电机中温度传递的过程将热阻看作电路中的电阻,热流看作电流1 8,物体高温与低温段温差为=R(1 7)式中,R为导热热阻;为物体通过的流量。R=l q1A(1 8)式中,l为高温面与低温面之间的距离;q为热流密度。电机绕组发出的热量分为绕组端部的热流C u 1和绕组通过与铁心散发的热流RC u2条路径,其计算公式为C u 1=(C u-a)/RC u=C u/RC u(1 9)RC u=Ri+RC u 1(2 0)式中,C u为绕组温度;a为空气温度;C u为绕组对空气的温升;Ri为导热热阻;RC u 1为绕组表面的散热热阻2 1。绕组向铁心散发的热流C F计算公式为C F=(C u-F e)/Ri=(C u-F e)/Ri(2 1)式中,F e为铁心温度;F e为铁心对空气的温升。由铜耗形成的方程为pC u=C u 1+C F=C u/RC u+(C u-F e)/Ri(2 2)由铁耗形成的方程为PF e=F e/RF e+(F e-C u)/Ri(2 3)联立式(2 3)和(2 4)得到绕组和铁芯的平均温升为C u=PC u+PF eRF eRF e+Ri /1RC u+1RF e+Ri F e=PF e+PC uRC uRC u+Ri /1RF e+1RC u+Ri (2 4)在W o r k b e n c h中对直线电机进行瞬态热力学分析时,将在磁场分析的电机二维模型得到的损耗导入温度场仿真软件,将直线电机的三维模型导入热力学分析,在瞬态温度场分析中,将直线电机的每部分赋予合适的材料,进行网格划分等前处理,最后导入磁场分析的结果,设置电机中各部分的对流系数等一系列前处理,将仿真时间设置为1 0 0 0 0 s,最后进行瞬态热力学分析。直线电机的整体温度、定子铁芯、线圈绕组及永磁体温度分布图如图9图1 2所示。图9 整体温度分布 图1 0 定子铁芯温度分布58青 岛 大 学 学 报(工 程 技 术 版)第 3 8 卷 图1 1 线圈绕组温度分布 图1 2 永磁体温度分布 由图9图1 2可以看出,直线电机整体温度分布图温度最大值为7 9.7 5,最小值为5 1.2 5;定子铁芯温度最大值为7 9.7,最小值为7 2.0 5;线圈绕组温度最大值为7 9.7 5,最小值为7 2;永磁体温度最大值为7 9.5,最小值为6 0.1 7。根据PML S M各个部分的温度分布图可知,直线电机的温度分布呈现中间温度高,两边温度低的现象。表3 电机各主要部分最高温度定子绕组/定子铁芯/次级/永磁体/7 9.7 5 07 9.7 4 87 9.5 4 17 9.5 4 1 直线电机各主要部分稳定后的最高温度如表3所示。直线电机最高温度随时间变化曲线如图1 3所示。由图1 3可以看出,直线电机温度随着仿真时间的增加而增大。图1 3 直线电机最高温度随时间变化曲线4 结束语本文采用多物理模型对永磁同步电机进行有限元分析,将在磁场中求解得到的结果导入温度场进行磁-热耦合分析,最终得到PML S M温度分布。结果表明,电机温度分布较为合理,最高温度出现在定子绕组,定子铁芯次之,次级和永磁体最低。本文使用的电磁和热耦合分析方法可近似估计热性能,减少迭代时间,该研究对永磁同步电机的热分析具有一定的参考价值,对PML S M的设计及降低PML S M在使用过程中的温度具有重要意义。参考文献:1 汝晓艳,聂瑛达.直线电机的工作原理及应用J.电子制作,2 0 1 4(2 2):1 9 3.2 L I U C,WANG X,WAN G S,e t a l.M a g n e t o t h e r m a l c o u p l i n g a n a l y s i s o f p e r m a n e n t m a g n e t c l a w p o l e m a c h i n e u s i n g c o m b i n e d 3 D m a g n e t i c a n d t h e r m a l n e t w o r k m e t h o dJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n A p p l i e d S u p e r c o n d u c t i v i t y,2 0 2 2,3 2(6):1 5.3 V E S E,l OANA-C O R N E L I A,MA R I GN E T T I,e t a l.M u l t i p h y s i c s a p p r o a c h t o n u m e r i c a l m o d e l i n g o f a p e r m a n e n t-m a g-n e t t u b u l a r l i n e a r m o t o rJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s,2 0 1 0,5 7(1):3 2 0 3 2 6.4 L I X,YU S,WANG Y.A n o v e l HT S C l a w-P o l e v e r n i e r m a c h i n e u s i n g s i n g l e e x c i t a t i o n u n i t w i t h s t a t i o n a r y s e a lJ.68 第3期 徐 冲,等:基于圆筒直线永磁电机磁-热耦合分析I E E E T r a n s a c t i o n s o n A p p l i e d S u p e r c o n d u c t i v i t y,2 0 1 9,2 9(5):1 5.5 C AO R,CHE N G M,HUA W.I n v e s t i g a t i o n a n d g e n e r a l d e s i g n p r i n c i p l e o f a n e w s e r i e s o f c o m p l e m e n t a r y a n d m o d u l a r l i n e a r F S PM m o t o r sJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l E l e c t r o n i c s,2 0 1 3,6 0(1 2):5 4 3 6 5 4 4 6.6 P A R K K S,CHO I J,P A R K Y P,e t a l.T h e r m a l d e f o r m a t i o n o f t h e r m a l l y a s s i s t e d m a g n e t i c r e c o r d i n g h e a d i n b i n a r y g a s m i x t u r e a t v a r i o u s t e m p e r a t u r e sJ.I E E E t r a n s a c t i o n s o n m a g n e t i c s,2 0 1 3,4 9(6):2 6 7 1 2 6 7 6.7 L I C P,CHA I F,CHE N G S K.R e s e a r c h o n t h e e f f e c t s o f c o o l i n g w a t e r v e l o c i t y o n t e m p e r a t u r e r i s e o f t h e w a t e r-c o o l e d m o t o r i n e l e c t r i c v e h i c l e sJ.E l e c t r i c M a c h i n e s&C o n t r o l,2 0 1 2,1 6(9):1 8.8 陈轶,卢琴芬,沈燚明.双边水冷永磁直线电机的磁热耦合分析(英文)J.中国电机工程学报,2 0 1 9(7):1 8 5 2 1 8 6 2.9 L I N,Z HU J,L I N M,e t a l.A n a l y s i s o f a x i a l f i e l d f l u x-s w i t c h i n g m e m o r y m a c h i n e b a s e d o n 3-d m a g n e t i c e q u i v a l e n t c i r c u i t n e t w o r k c o n s i d e r i n g m a g n e t i c h y s t e r e s i sJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n M a g n e t i c s,2 0 1 9,5 5(6):1 4.1 0 HA T Z I A THANA S S I OU V,X Y P T E R A S J,A R CHON T OU L AK I S G.E l e c t r i c a l-t h e r m a l c o u p l e d c a l c u l a t i o n o f a n a-s y n c h r o n o u s m a c h i n eJ.A r c h i v f r E l e k t r o t e c h n i k,1 9 9 4,7 7(2):1 1 7 1 2 2.1 1 孙鹏,周惠兴.U型无铁心永磁同步直线电机气隙磁场有限元分析及实验研究J.微电机,2 0 0 9,4 2(8):9 1 2.1 2 王文玥.永磁同步电机磁热耦合分析与结构多目标优化设计研究D.青岛:青岛大学,2 0 2 1.1 3 TA R E K M T B,HE R B E R T J,CHO I S.A n a l y s i s o f u n b a l a n c e d m a g n e t i c p u l l o f p e r m a n e n t m a g n e t a s s i s t e d s y n c h r o-n o u s r e l u c t a n c e m o t o r b a s e d o n u n e v e n a x i a l t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f m a g n e t sC 2 0 1 7 I E E E i n t e r n a t i o n a l e l e c t r i c m a c h i n e s a n d d r i v e s c o n f e r e n c e(I EMD C).M i a m i,U S A:I E E E,2 0 1 7:1 6.1 4 GA R G V K,R AYMON D J.M a g n e t o-t h e r m a l c o u p l e d a n a l y s i s o f c a n n e d i n d u c t i o n m o t o rJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n E n e r g y C o n v e r s i o n,1 9 9 0,5(1):1 1 0 1 1 4.1 5 HUANG X Z,L I L Y,Z HOU B,e t a l.T e m p e r a t u r e c a l c u l a t i o n f o r t u b u l a r l i n e a r m o t o r b y t h e c o m b i n a t i o n o f t h e r m a l c i r c u i t a n d t e m p e r a t u r e f i e l d M e t h o d c o n s i d e r i n g t h e l i n e a r m o t i o n o f a i r g a pJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n I n d u s t r i a l E l e c-t r o n i c s,2 0 1 4,6 1(8):3 9 2 3 3 9 3 1.1 6 CHE N Y,Z HOU J,F ANG Y,e t a l.M u l t i-f i e l d c o u p l i n g f i n i t e-e l e m e n t a n a l y s i s o f t h e t e m p e r a t u r e r i s e i n p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s m o t o r a p p l i e d f o r h i g h s p e e d t r a i nC 2 0 1 6 1 9 t h I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n E l e c t r i c a l M a c h i n e s a n d S y s t e m s(I C EM S).C h i b a,J a p a n:I E E E,2 0 1 6:1 4.1 7 张宸菥.高速感应电机磁-热耦合研究及温度场计算D.北京:北京化工大学,2 0 1 7.1 8 石振禾.永磁同步电机损耗及热特性的研究D.沈阳:沈阳工业大学,2 0 1 8.1 9 黄娟林.电动汽车轮毂电机温度场及散热分析研究D.南昌:华东交通大学,2 0 1 9.2 0 刘威,刘慧娟,杜晋文,等.定子水冷永磁同步电机多工况热特性的研究J.微特电机,2 0 1 9,4 7(4):1 5.2 1 李争,史雁鹏,杜深慧,等.大功率永磁同步电机磁热耦合分析J.大电机技术,2 0 2 0(1):6 9.B a s e d o n M a g n e t o-T h e r m a l C o u p l i n g A n a l y s i s o f C y l i n d r i c a l L i n e a r P e r m a n e n t M a g n e t M o t o rXU C h o n ga,Z HAO Q i n g h a ia,b,J I ANG N a na,MA K a i y ua(a.C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g;b.N a t i o n a l a n d L o c a l J o i n t E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r o f I n t e l l i g e n t P o w e r I n t e g r a t i o n T e c h n o l o g y f o r E l e c t r i c V e h i c l e s,Q i n g d a o 2 6 6 0 7 1,C h i n a)A b s t r a c t:A i m i n g a t t h e p r o b l e m t h a t t h e l i n e a r m o t o r i s d a m a g e d b y e x c e s s i v e t e m p e r a t u r e i n t h e d e s i g n a n d o p e r a t i o n p r o c e s s,t h i s p a p e r c o n d u c t s f i n i t e e l e m e n t c o u p l i n g a n a l y s i s o f e l e c t r o m a g n e t i c t h e r m a l f i e l d f o r p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s l i n e a r m o t o r(PML S M).T h e f l u x d e n s i t y d i s t r i b u t i o n a n d t h e l o s s o f t h e m a i n p a r t o f t h e m o t o r a r e a n a l y z e d.T h e n t h e l o s s e s o f s t a t o r c o r e a n d c o i l w i n d i n g s o f l i n e a r m o t o r a r e i n t r o d u c e d i n t o t r a n s i e n t t h e r m o d y n a m i c a n a l y s i s.F i n a l l y,t h e t e m p e r a t u r e d i s t r i b u t i o n o f p e r m a n e n t m a g n e t l i n e a r m o t o r i s o b t a i n e d b y t h r e e d i m e n s i o n a l f i n i t e e l e m e n t t h e r m a l a n a l y s i s u s i n g t h e f i n i t e e l e m e n t m a g-n e t i c f i e l d r e s u l t s.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t u n d e r r a t e d l o a d,t h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e o f l i n e a r m o t o r i s 7 9.7 5,t h e m a x i m u m t e m p e r a t u r e i s i n t h e c o i l w i n d i n g,a n d t h e m i n i m u m t e m p e r a t u r e o f l i n e a r m o t o r i s 5 1.2 5,w h i c h m e e t s t h e d e s i g n r e q u i r e m e n t s.T h i s r e s e a r c h h a s c e r t a i n r e s e a r c h v a l u e.K e y w o r d s:l i n e a r m o t o r;m a g n e t-o t h e r m a l c o u p l i n g;t r a n s i e n t t h e r m o d y n a m i c s;l o s s a n a l y s i s78