《装备维修技术》2021年第14期
蛋白精
齿槽转矩—125—
垃圾锅炉
李静洁
（河北电机股份有限公司，河北石家庄051430）
摘要：为了解决集成设备中使用的永磁同步电机体积小，功率密度大、发热多的问题，提出一种紧凑型永磁同步水冷电机的设计
方案。在设计中采用水循环外冷却方式对机座进行冷却，取代普通电机的散热风扇，提高电机的散热效率；通过合理调整电磁负荷分布，使电机的电磁方案设计更趋合理；最后建立热传导模型图对电机定子绕组温升进行了仿真计算，结果表明该方案设计合理，方法有效。 关键词：永磁同步电机体积小功率密度大水冷
汽车覆盖件模具引言
紧凑型永磁同步水冷电机的设计，为了缩小体积，节省材料，提高材料利用率，普遍采用较高的电磁负荷，同时也带来了电机发热量大，普通的空冷系统散热面积相对不足的问题。因此，解决好电机发热与冷却成为保证电机安全可靠运行的主要问题之一。本文研究的紧凑型永磁同步水冷电机的设计，
是根据用户的实际需求，为集成设备配套的专用永磁同步电机。受安装空间的限制，电机外径尺寸要求严格，电机体积相对较小，使得电机运行时产生的单位体积损耗增加，导致电机各部分温度升高，且电机体积小也意味着电机的散热面积小，很容易使电机温升过高。为了解决这一问题，本文主要从电磁优化设计，冷却系统优化设计和电机主材料选材及生产工艺三方面开展研究，使电机总发热量少，散热效率高，电气性能良好，保证电机的安全可靠运行。
1电磁优化设计
红外多点触摸屏
1.1主要技术参数参数名称设计值参数名称设计值额定电压380V 极槽配合8
极48槽额定电流53A 热负荷458A2/mm3额定转速6000rpm 电密11.16A/mm2额定转矩47.75Nm 反电势290V 1.2建立电磁仿真模型，对电机磁路结构形状和尺寸进行优化设计，合理调整电机的磁密分布，优化电机的空载气隙磁密和反电势波形。进而得到电机的仿真结果：电机磁力线分布均匀，最大磁密19150T，能满足电机齿部磁通密度和轭部磁通密度的要求；电机反电势波形为平滑的正弦波，齿槽转矩较小，结合电气性能指标可以得出，电机的电磁方案设计合理。
磁密分布云图
2冷却系统优化设计
电机的冷却方式为水冷，水路采用S 型的轴向水道设计，提高散热效率的同时，又能有效减小电机的体积。为机座冷却水路的循环方式，冷却水由机座后端面进水口进入，沿机座外圈循环一周后由机座后端面出水口流出。该设计方案可使冷却水完全包裹电机外壳，具有冷却面积大，降温效果快的特点；同时进、出水口设计在机座的后端面，又可以满足电机对外径尺寸的严格要求；机壳材料为导热性能良好的钢材料，可以更有效地将电机所
产生的热量带出。
2.1电机在额定负载状态下的热仿真分析
在40℃环境温度下，电机的进水口温度设置为25℃，水流量为15L/min，建立热传导模型图，对定子绕组温升进行了仿真计算，结果显示电机达到热稳态后，出水口温度为29.3℃，定子绕组温度最高点为101.6℃，温升61.6K。
2.2电机在1.2倍过载持续时间1小时的状态下的热仿真分析在40℃环温下，对电机进行1.2倍过载仿真（过载转矩57.3Nm），过载持续1小时以后，电机定子绕组最高温度129.5℃。根据GB/T 22711-2019《三相永磁同步电动机技术条件》中对电机温度的要求，电机采用155(F)级绝缘，定子绕组温升按照80K 考核；仿真结果绕组温升为61.6K，满足考核标准；短时过载运行的情况下，电机定子绕组最高温度不得超过绝缘等级限值155℃；仿真结果定子绕组最高温度129.5℃，满足考核标准。由此可以看出
电机冷却系统优化设计方案合理可行。
3电机主材料选材及生产工艺
远程控制杀虫灯3.1磁钢的选型及装配设计
根据仿真计算的结果，分析磁钢矫顽力和剩磁的大小，磁钢牌号选用N35SH。该牌号磁钢特性：基准温度为20℃，磁钢温度每升高1℃，退磁率不超过0.1%；电机运行过程中，磁钢温度120℃时，退磁率不超过5%；磁钢温度超过155℃时，会出现不可逆性永久退磁。该设计方案在选型设计时充分考虑了磁钢的退磁特性，电机热仿真结果保证了磁钢使用温度在允许温度范围内，从而确保电机扭矩的稳定输出。由于电机转速较高，且电机有较长时间过载的需求，为了加大电机输出功率的能力，磁钢尺寸相应加大、加厚，磁钢所受离心力也会相应增加，表贴式已无法满足电机的需求，所以磁钢装配方式选用插入式工艺。
3.2电机定子绕组的选材及生产工艺
电机定子选用铜绕组型式，定子冲片采用冲压工艺，能更好的保证槽型尺寸精度和冲片的一致性。定子铁心压装采用热套方式，保证定子铁心与机座内套充分接触，确保定子的热量可以有效及时的导出，提高定子散热效率。电机绕组采用双层叠绕的下线方式，利用适当的短距系数，可有效消除气隙
磁场中的高次谐波，改善电机性能。采用短节距，使绕组端部长度变小，易整形，提高生产效率。定子绕组成型后采用真空压力浸漆工艺，该工艺是可大幅降低定子部分的散热热阻，利于定子的热量散出。
结束语
本文从电磁、冷却系统和电机主材料选材及生产工艺，三个方面对紧凑型永磁同步水冷电机进行了优化设计，通过计算和校核，结果符合电机的运行需求。目前该设计方案已在电机实际生产中获得应用，电机电气性能优异，温度低，运行状态良好。
参考文献
[1]唐任远.现代永磁电机理论与设计.北京：机械工业出版社,2015
作者简介：
李静洁（1988-），女，河北石家庄，工程师，主要研究方向：电机设计。
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