MICROMOTORS
第
54卷第4期2021年 4月
Vol. 54. No.4Apa 2021
曹力&，胡岩&，卓亮2
（
1.沈阳工业大学，沈阳110000；
2.贵州航天林泉电机有限公司，贵阳550008）
摘要：损耗是影响电机效率和发热的重要因素，定子屏蔽护套作为高速永磁屏蔽电机损耗的主要来源，合理的设 计是保证电机可靠安全运行的关键。本文基于有限元模型计算分析电机定子 的涡流损耗以及电机温升分
布，并对 性因素进行研究；通过样机试验 子 流 。试验 理论分析结果基本一致，验证本文所建立的高速 电机有限元模型的正确性，对 后 电机的分析、设计具有理论指导
意义$
关键词：高速永磁屏蔽电机；有限元；损耗计算；温升分析
中图分类号：
TM355
文献标志码：
A
文章编号：
1001-6848（2021）04-0011-05
Study on Loss Analysis and Temperature Rise of High-speed Permanent
Magnet Shielded Motor
CAO Li, HUYan, ZHUO Liang
(1. Shenyang University of Technology ， Shenyang 110000， China ； 2. Guizhoo Aerospace Linquan Motos Co.， Ltd.， Guiyang 550008， China )
Abstract : Loss is an impo/ani factOT affecting motOT efficiencc and h eat generation. The statOT shielding sheath is the main sourcc of loss for high-speed permanent maanel shielded motors. *62X(0X11 design is the key to ensure the reliable and sale operation of the motOT. Based on the aniiv element model ，this paper co I-
culated and analyzed the eddy current loss of V v statOT shielding sheath of the motor and the temperature esa
distrigution of the motOT ，and studied the sensitive facton of the shielding sheath loss. The eddy current loss of the statOT shielding sheath was separated through the prototype test. The results of the tess and theoretical analysis are basically consistent ，veafying the ccmct
ness of the finite element model of the high-speed pee-
manent maynel shielded motor established i this papeo ，which has theoreticol guiding significonco for the a
nalysis and design of the shielded motor in the future.
Key words : high-speed permanent maynel shielded motOT ； finite element ； loss colculation ； temperature ase analysis
0引言
众所周知，高速电机发热问题一直以来备受关
，电机
准确计算 证电机安全运行的前提。
高速
电机 子 切割旋转
磁场 高 流损耗， 本文对高速：屏电机 流
的准确计算和 性因素
析以及电机温升分布展开研究。这对 电机
计具有一定的 依据，保证电机安全可靠运行具有现实意义$
有相关学者对高速永磁屏蔽电机损耗大小
温升分布展开了研究，并且获得一定的研究成果。 下所示：
些年， 电机设计 的
，高速
永磁屏蔽电机由于独特的工
和安全性好而被的应用于航空航天、
、载人飞船等各种场
合$ YamazakiK
提 类电机在电机定子
， 电机转速过高，旋转磁场在屏
收稿日期：
2021 —01 —11
基金项目：本论文由国防科技创新特区项目支持 作者简介：曹力（
1996），硕士研究生，研究方向为高速永磁电机设计。
胡 岩（1964），博士研究生，教授，研究方向为高品质永磁及特种电机系统。
-12-微电机54卷的高流大[5-6]$文明等
提过使用有限元软件计算出定转子铁耗
中的和涡流，并提以通过改变内
数角⑺巳
本文以高速电机为研究背景，以5kW、
36000r/min的高速永磁同步屏蔽电机为研究对象,
首先基于有限元方法对额定负载下电机定子屏
流布进行计算，同时还针对屏蔽材料导电性、厚性因素进行了分析，对电机的温升分布进行了研究。验法准确子流，通过
子材质为非和合金的电机作为试验样机，然后验样机工作在相同的额负载工况下，使用测温子铁心温度，根据温度变化推导计算得子铁耗，种定子铁耗之差再得流大小。最后流、电机温升计算验值进行对比，验证计算分析的正确性。对以后电机研究具有一定的「意义$
1电机参数和损耗计算
1.1电机参数
本文以一种表贴式高速永磁屏蔽电机为例，研究通过正弦波供电工作在额定负载工况下，电机定子流的大小、温升分布、以及定子
性因素。表1为电机主要的结构数和电数$
表1高速屏蔽电机主要参数
数数
极槽配合2极18槽
额定功率5kW
额定转速36000oTmon
定子外径65mm
轴向长度37mm
转子护套厚度0.75mm
子厚0.5mm
1.2电机有限元仿真模型建立
为进一准确计算和析高速电机
子流，验证电机模型的正确性，本文根提供的电机参数，建立高速电机二维有限元模型，然后将建立的二维模型. Ansoft二维电磁场中进行计算。建立的二维高速永磁屏蔽电机有限元模型1所$
图1高速永磁屏蔽电机二维有限元模型
1.3损耗计算
子的准确计算高速电机计的几大关键核心之一，高速电机类似的由于铁心场的快速变化而引起的定子铁心损耗，子的还存在具有较大影响的涡流
$在研究高速电机子流，首先得到定子铁心中的$根二维时步有限元分析计算磁场的方程式：
_-(丄叫==+丄('Cr-hy
0''丿
(1)式中，A为矢量磁位；“为磁导率；=为电枢电流;C为化方向长度$
由上式矢量磁位计算便可以得到定子铁心中的磁通密度，从而可推导高速永磁屏蔽电机定子铁耗P Fc
表达式:
P Fc=P t+P t+P h=
#K1(―2S+#K o(fB m)2S+#KJB；G
(2)式中，P a为定子铁心涡流损耗；P a为定子屏蔽护套流；P h为子铁心$K1为定子铁心涡流系数；<2为子流系数; <h为子铁心系数；/为定转子铁心磁场变；B i为定子铁心系数；G为定子铁心质$
2计算及结果分析
2.1损耗计算结果
在变频器提供频率600Hz的额定正弦波电流下，基有限元析法对高速电机工在额
负载1.33Nm工况下的布进行了计算，其中电机定子护套厚度为0.5mm，材料选类的合和非类的种材料$为了析比较，均选择规格相同的变进行供电保证电流一致性。计算后获得的电机布表2所
$
4期曹力等：高速永磁屏蔽电机损耗分析与温升研究
)3
表2正弦波供电额定负载下电机损耗分布护套
子
流绕组转子
材料铁耗/W
损耗/W
铜耗/W
/W
合金16.5
5185010.288玄武岩
16.2
428
0.288
从上述高速 电机额定负载下 布
可以 ，高速 电机的 主要为、铜
和定子铁耗；定子铁
主
在钛合 子，这
有导电性的钛合
子屏
切割旋转磁场 流 ，而不导电的玄
非 子 不
流 。电
机工作在相同额定负载下，钛合 子
的涡流
大，引起电机温升大，电机 电阻
温度增高而增大， 合 子
电机所 的
较大。电机温升 切相连，
为了提高 电机的可靠安全运行， 能选择低
导电率的
材料 不导电的非
材料作为定
子
子 ，确电机温升不 起
永磁体的退磁。
2.2敏感因素分析
2. 2. 1材料导电性对屏蔽护套涡流损耗敏感性分析
对于高速 电机而言，电机转速过高引起电机定子 流
很大，而子
流 的大
材料的导电
性能有很大关系。现将电机运行在额定负载工况下,
子
为0.5mm ，选择不同导电性材料作
为定子
析电机定子涡流
变化，其
计算参数一致，计算得电机定子 —金属钛合金
-------lCrl7Ni2不锈钢
---非金属玄武岩
0.6 1.2 1.8 2.4 3 3.6 4.2 4.8
流损耗变化曲线如图2所示。
1000900800700600500400300200100
2材料导电性对 流 变化曲线
从图2
以得到，不同材料具有不同的导电
性，所 的涡流
完全不一致。导电性能越
的材料所 的涡流
， 合比
1Cr17Nin 不
材料所 的涡流损耗小，
无
导电性的非 基本不存在涡流 $
得出结论，对电机温升
格的高转速
电机而言，可以选择非
材料 电
导 材料作为电机定子 ， 高
流损耗，避免过高的温升可能造成电机发热故障。2.2.2 厚度对
流 性分析
将电机运行在额定负载工况下，
计算参数
不变， 过 变 合 子
的 厚
析涡流 变化， 变化曲线 3所$
0 0.6 1.2 1.8 2.4 3 3.6 4.2 4.8
图3护套厚度对屏蔽护套涡流损耗变化曲线
从 3 以 ， 合 子 的
涡流 厚 正相 系， 厚
所 的涡流 大。但对于高速 电机
的定子 厚度的选择不能仅仅只根 这
一指标， 之外还需考虑定子 强度能否得起电机
强。根 强度和 这两个指
标综合 选择一个合适的定子
，既能满足电机 强的
以实
能地 祸
流损耗，保证电机可靠运行。
2. 3电机温升分布
基于二维时步有限元仿真损耗数值计算结果,
利用Ansys 有限元软件对电机工作在额定负载工况
下进行温度场
，研究电机温 布。 电机
工作环境温度为0兀，短时工作时间为150s ，电机
热方式为自然冷却，电机 有
，
回路为气隙进液，轴孔回流，流速大小为
0.5ml/s ，电机产生的热量便可通过流动介质传出，
电机
温升过高 $
2.3.1温度场求解模型
过UG 软件对电机进行三维建模，然后将建
好的模型导入Ansys 温度场 软件中，对电机进
行网格剖分（网格数量）$电机网格剖
4所示$
图4
电机网格剖分图
-14-微电机54卷
2.3.2边界和热源
利用得到的高速电机和钛合金
高速电机在正弦供电下各的大力、,
计算得电机的各主热部件的的生热表3
所示$
表3额定负载下电机热源分布(单位：W/mm3)
护套
绕组子子转子转子
轴承
材料铁心屏蔽套护套铁心
钛合金 1.64x 2.6x8.8x7.0x 3.2x7.5x 护套10-210-410-210「510「710「3
玄武岩 1.4x 2.58x
07.0x 3.2x7.5x
护套10_210-410「51010「3 2.3.3仿真结果及分析
利用上述剖分模型计算两种不同材料通过正弦波供电工作在额定负载工况下电机各温升布如图5所$
54.593Max
49.745
44.896
40.048
35.199
30.351
25.502
20.653
15.805
10.956Min
(a)非金属护套电机温升云图
136.02Max
122.52
109.01
95.512
82.009
68.507
55.005
41.502
28
14.497Min
(b)钛合金护套电机温升云图
图5电机温升云图
■
从电机的温升云图可以看出，玄武岩屏蔽护套材质的高速电机非材料无导电性不存在定子的涡流，电机温升远远小合材质的电机温升。在额定负载工况下，两种电机的温升最高自于电机定子部位，这子电机和定子铁耗$合金材质电机最高温升达到136a；玄武材质电机最高温升54a；为了避免高温引起，提高电机运行安全可靠性，选择非材质作为流；是一种合适选择。3试验结果及分析
3.1电机温升测试
为了进一步的验证前文计算分析的正确性以及素分析的可行性，选择本文研究的5kW、36000oTmon高速同电机为机进行
验，机分为类钛合电机和非类电机两种。两种实物6所示，电枢实物和样机7、8所示$在如图9所的试验平台在额定负载工况下对其两台样机进行温升$温升正弦电源供电，通过非接触式测温探头，每10s钟一次电机定子铁心表面温度，得到电机温升数据如图10所$
图6护套实物图
图7电枢实物图
8!机实物
图9
温升测试平台
4期曹力等：高速永磁屏蔽电机损耗分析与温升研究15
图10电机温升测试曲线
3.2屏蔽护套涡流损耗分离
由于本次研究的高速永磁屏蔽电机内部空间有限，且电机转速过高，无法温安装在定子，的温试验方法难以实现$针对此种情况，本文试验从后端盖打孔温元件对电机定子铁心温度进行的方法，反推子流所引起的温升。试验对两台样机进行定子铁心表面温，通过电机定子温升速计算得出电机定子，然后合子
子以及得到钛合所的涡流 大小。
过电机子铁心温升变化曲线可知，在电机额定工况下工作150s内电机的定子铁心温升速为：钛合子铁心2.7K/s，非子铁心1.3K/s。根电机温升速率通过以下公式
确定定子$即
P_m$C p*dd.t=0(3)
式中，P为电机定子，W；C p为定子的比热容, J/(kg* a)；m为定子质量，kg$
根机定子材料，比热容为448/ (kg*兀)，子质量m为0.967kg，过实验测得两种样机在额定工况下的定子为：钛合电机定子1169W，1
电机定子563W$所得到的钛合金屏
所的涡流损耗大小为533W$
3.3计算值与试验值对比分析
根据测试的两台电机定子温升，通过试验的方法类钛合子所的涡流$台材质不一致的电机均工作在额定负载1.33Nm的工况下，两台机除了定子绕不一致，件所的基本无差异。
合所的实测的合子机子以及
即合。根实台电机的温升变化，分析计算得到的钛合蔽护套在额定工况下所产生的损耗大致为533W$可以实测计算所得到的电机定子比有限元计算结果偏大，误大小为2.9%，这能是电机高转速情况下所的摩擦同弓I 起电机温升变化，不彻底。导致试验推导计算值偏大。
过电机子铁心温变化线实进行对比，得到11所的温对比结果$从11以，对非类子机，定子铁心的温升实之间相
5.3%；对类合子机的子铁心温升实之间相差4.4%。两种不同材质电机的温升实高，但结果误差在5%内，满足工程使用的，验证了仿的正确性。
4结论
本文过对高速电机子的流损耗展开计算和分析，以一台5kW、36000r/min高速电机为研究对象，建立电机二维物理模型，运用有限元法对电机的定子进行了分析计算，基 对电机温升分布展析。
过种不同材料子，工在相同负载下的电机温升变化，反向推导出电机，并进行分析获得单独的定子屏蔽护套损耗。将试验测的温升数基于有限元计算的温升数据进行对比验证，两者温升数值误差满足工程实际$同时，本文还对电机定子的
性因素进行了相析，得到的结下：
(1)对电机温升较为严格的高转速屏蔽类电机，子的流材料导电性有关，可以选择无导电性的非材料作为定子以减小电机定子，电机过高的温升，提高电机运行可靠性。本文的非金属
机对工程用有$
(下转第31页
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