電機溫升
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電機溫升的視頻教程
Altair HyperWorks電機應用專題（共四期）
>>>去報名 【第一期】電機磁場快速設計與多學科仿真優化【已結束】? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?直播時間：2019-12-06 19:30 本期內容大綱（主講老師：王琪） 1） 永磁電機電磁性能仿真 a) 齒槽轉矩? b) 空載反電勢? c) 恒轉速? ?d) 動態過程? ?e) 退磁? ?f）MAP圖 2） 永磁電機溫升計算（結構熱傳導） 3
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Fluent電機穩態溫度場求解
本次課程以一款常見的永磁同步電機為例，進行電機的fluent穩態溫升仿真。 從電機三維建模、模型前處理、網格剖分、仿真求解設置、結果后處理等方面展開，內容囊括了fluent電機穩態溫升仿真的全流程。在各流程操作步驟講解中，會根據以往經驗，將仿真過程中遇到的典型問題詳盡講解。 ppt附件在文檔區自行下載。 項目咨詢可加QQ1176728535
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電機溫升的實例教程
5、電機溫升實驗及誤差分析
為驗證數值計算模型及仿真分析模型的準確性，搭建了電機溫升實驗臺架，如圖6所示。電機通過工裝與臺架相連，電機高、低壓線束與電機控制器相連后再連接電源柜，水道通70℃冷卻水，水流量8L/min。通電測試，記錄電機繞組溫度從70℃至150℃的溫升時間及對比誤差見表3。實驗結果表明，修正后的數值計算溫升時間與實驗誤差在4%以內，仿真計算溫升時間與實驗誤差在5%以內，兩種計算方法具有一定的準確性。
0 引言
永磁同步電機因具有功率密度高、效率高、結構緊湊等優點，成為新能源汽車驅動電機的首選。隨著電機容量的不斷增加及其小型化和輕量化的發展，再加上新能源汽車用永磁同步電機的密閉式結構，導致電機運行時散熱環境惡劣，電機溫升過高，成為制約新能源汽車用永磁同步電機向高功率密度、高效率發展的重要因素。
新能源汽車用永磁同步電機大都采用水冷方式對電機進行冷卻，冷卻水道布置在機殼內部，通過機殼內部水道中的循環冷卻介質帶走熱量，從而控制電機溫升。目前，新能源汽車用永磁同步電機冷卻水道的結構主要有折返型和軸向螺旋型兩種。軸向螺旋型水道的水路平順，水道壓降小，但由于冷卻介質從電機一端流入另一端流出，電機兩端的溫度梯度較大，不利于對電機整體的溫升控制。折返型水道的水路呈迷宮狀，不會在電機兩端產生溫度梯度，同時入水口與出水口可布置在電機同一端，方便水冷系統的布置，因而被廣泛應用。
現有研究多采用基于積分形式守恒方程的有限體積法對電機的溫度場、流場進行仿真，從而研究電機的溫升，但并未對永磁同步電機常用的折返型水道的結構參數進行細化研究，對折返型水道結構參數對流體流動特性、水道壓降以及電機溫升變化的影響的研究也還不夠深入。
本文對一臺額定功率68 kW的永磁同步電機的折返型水道結構參數進行設計。建立電機流-固耦合有限元模型，對電機溫度場、水道流場進行仿真分析，并通過電機臺架實驗驗證了仿真模型的正確性。進而通過仿真模型分析了水道內冷卻水的流動特性，綜合考慮分析入水口水道寬度與水道圓角半徑對水道壓降的影響，據此得到水道結構幾何參數，實現了電機低溫升的設計目標，最后進行電機溫升與水道壓降實驗驗證。
展開 電機試驗平臺的技術參數并非一組固定的數字，而是根據被測電機的類型、功率等級和應用場景構成的一個多維度的指標體系。理解這些參數，是選擇、驗收或操作一臺試驗平臺的基礎。
我將這些參數歸納為核心性能指標、被測對象限制、測量與控制精度以及專項測試能力四個維度，并結合實際案例進行說明。
一、核心性能指標：決定平臺的能力邊界
這是衡量一臺試驗平臺“能不能測”以及“能測多大電機”的基礎參數。
功率范圍
這是比較直觀的選型指標。電機試驗平臺的功率覆蓋范圍相當廣，從用于微特電機的瓦級平臺，到用于大型工業電機的兆瓦級平臺都有。
小功率：例如用于測試伺服電機的平臺，功率范圍在5kW-10kW，甚至更小如100mNm級別的齒槽轉矩測試平臺。
中的功率：如華中科技大學搭建的60kW、250kW測試系統，用于新能源汽車或航空伺服電機研發。
大功率：浙江大學的永磁牽引電機測試平臺，其變頻電源系統功率達到了1MW，用于牽引電機的性能測試。而針對力矩電機的平臺，其額定扭矩加載點可達3000Nm。
轉速范圍
決定了平臺能測試電機的比較高轉速，對于高速電機（如主軸電機、無人機電機）至關重要。
常規轉速：0~5000rpm、8000rpm、10000rpm是比較常見的等級。
高轉速：隨著技術進步，轉速要求越來越高。例如，尼得科（Nidec）推出的電動汽車電機試驗臺，比較高支持轉速已達20,000rpm。近期的一些招標項目，甚至要求平臺能在0~20,000rpm范圍內可控運轉。
大力矩低轉速：與高轉速對應，一些大力矩平臺則強調低轉速下的大扭矩輸出，例如200rpm@3000Nm或1000rpm@5000Nm。
扭矩范圍
這是衡量電機輸出能力的關鍵。
微扭矩：對于微型電機，扭矩范圍可能在0~100mNm。
展開 圖15
圖16
圖17
圖18
熱計算
電磁計算的損耗數據是熱計算的輸入源，因此基于電磁計算的結果對電機的散熱進行分析。
熱計算建模在電磁基礎上添加了機座、冷卻道等結構。圖19是熱計算徑向數據設置，而后進行軸向數據的設置，以此建立冷卻水道，具體設置如圖20。
圖19
圖20
電機散熱計算中，繞組的浸漆程度和一些工藝因素對散熱的影響較大，因此有必要著重關注這些方面。本例中的浸漆設置、絕緣設置、繞組在槽內的分布情況如圖21所示。
圖21
由于該電機選擇的是水冷，因此需要選中“Housing Water Jacket”，另外還需要設置電機所處的環境溫度。而后設置入口水的流量，這里需要提醒一下，一般都是習慣用每分鐘多少升作為計量單位，因此需要提前設置為“l/min”，同時設置恒定流量為6.5L/min，如圖22。
圖22
圖23
設定流量之后，需要指定流體的材質類型和屬性，圖24是展示了本次計算的冷卻介質的屬性設置。圖25設置了電機實體部分的材料熱屬性設置。剩下的采取默認設置即可。
圖24
圖25
計算的熱源可以是輸入的損耗，也可以是電磁計算損耗直接導出在熱計算模塊，這里采用電磁計算的損耗作為計算的熱源。圖26展示了計算穩態時溫度分布情況，并且損耗來自電磁計算結果。
Motor-CAD熱計算依據熱網絡法，這樣可以快速計算出電機的溫度分布，用時比有限元要少很多，精度也可以保證工程要求。
展開 相變儲熱技術利用相變材料的相變潛熱儲存大量的熱量，可以達到緩解溫度沖擊、抑制溫升的作用，石蠟是常用的相變儲熱材料。相變傳熱技術利用工質的氣液相變循環實現高效傳熱的技術。熱管是常用的相變傳熱器件之一，主要包括殼體、吸液芯和工質三部分，其工作原理如圖15所示。熱管的殼體是密封結構并進行了抽真空處理，吸液芯附著在殼體內壁，工質在蒸發段遇熱氣化并吸收大量的熱量，導致蒸發段氣體壓力上升并驅動工質氣體向冷凝段移動；蒸汽在冷凝段遇冷液化并釋放熱量，冷凝后的液態工質在吸液芯的驅動下回到蒸發段。
圖15 熱管工作原理
Fig.15 Working principle of heat pipe
將相變熱管理技術應用于電機散熱系統，在電機高發熱部件與冷卻殼體之間搭建額外相變熱路，可以有效延長電機穩定運行時長、抑制電機溫升，實現電機高效散熱。
BELLETTRE等提出了采用相變材料抑制繞組端部溫升的散熱優化方案，并采用熱仿真模型和試驗證實了采用低熔點、高相變潛熱的相變材料可以顯著抑制端部繞組的溫升，并以此為依據確定鎵和石蠟(P116)分別是抑制端部繞組溫升的最佳金屬和非金屬相變材料。WANG等在電機機殼內部引入石蠟以緩解電機的溫升沖擊，如圖16所示，將電機機殼加工為中空結構并灌注石蠟，并采用前后端蓋進行密封以避免液態石蠟泄漏。有限元仿真及實驗測試證明，當電機工作在連續模式時，機殼內部的石蠟可以有效延長電機的運行時間約32.7%；當電機工作在周期模式時，機殼內部的石蠟可以降低電機的峰值溫度約7.82 ℃。
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電機溫升的最新內容
電機試驗平臺的技術參數并非一組固定的數字，而是根據被測電機的類型、功率等級和應用場景構成的一個多維度的指標體系。理解這些參數，是選擇、驗收或操作一臺試驗平臺的基礎。
我將這些參數歸納為核心性能指標、被測對象限制、測量與控制精度以及專項測試能力四個維度，并結合實際案例進行說明。
一、核心性能指標：決定平臺的能力邊界
這是衡量一臺試驗平臺“能不能測”以及“能測多大電機”的基礎參數。
功率范圍
這種方法適用于電機等設備的溫升測試。
溫升測試流程
1. 確定受測元器件：選擇需要測試的設備部件。
2. 安裝熱電偶：將熱電偶粘貼到受測元器件上。
3. 設備運行：將設備運行在額定電壓和頻率的上限，輸出負載調整到要求的大小。
4. 達到熱平衡：讓設備持續工作，直到達到熱平衡狀態。
5. 記錄數據：記錄熱電偶的讀數，以評估溫升情況。
4） 電機溫升計算
? 電機總成在不同工況下的瞬態溫升仿真。
5） 電機電磁-熱-流耦合分析
? 單向、雙向耦合迭代。
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電機散熱分析
4.1 直流無刷永磁電機散熱分析
4.2 某小型電機瞬態溫升分析
4.3 電鉆電機通風散熱分析
5. 電機振動噪聲分析
6. 電機振動噪音設計
6.1 基于聯合仿真的聲音分析及優化
6.2 結合測試與仿真的系統集成與聲音設計
6.3 面向最終用戶感受的聲品質研究
7.
這些稱為裝置減震器，其降低噪聲效果明顯，但步進電機要依靠安裝底板散熱，而橡膠材料的熱傳導性能差，所以要注意電機溫升。
但這時的溫差即溫升已比以前增大了，所以說溫升是電機設計及運行中的一項重要指標，標志著電機的發熱程度，在運行中，如電機溫升突然增大，說明電機有故障或水道阻塞或負荷太重。
性能參考溫度實在沒有找到官方的解釋，但結合字面意思和經驗，性能參考溫度應該是表示絕緣材料能夠正常發揮性能的最高溫度，超過該溫度，性能可能會下降，類比于全功率運行和限功率運行（純個人理解）。
如下圖所示，S2工作制的電機也是只有兩種狀態，要么停機，要么以恒定負載運行，但其與S1的區別在于它的負載相對較大，電機溫升快，必須在運行一段時間后停機降溫，保證電機及其他設備的安全。工程應用中，S2工作制電機的持續運行時間比較受關注，所以一般在S2后面標注電機運行持續時間，例如：S2 30min。S2工作制的電機常見于家用電器驅動器，閥門控制器等。
同時，試驗溫度的變化對電機的溫升也有影響。電機的溫升過快會導致其內部部件受到過大的熱負荷，加速其老化過程，影響試驗結果。因此，試驗溫升速率也必須控制在合理的范圍內，以保證試驗的準確性和可靠性。
另外，試驗溫度對電機內部結構的影響也需要考慮。例如，高溫條件下電機內部絕緣材料會發生變形，導致電機內部短路，從而引起超速失效。
用戶可以以該模型為模板，根據自身的研究對象，對等效熱模型中的參數進行修改，異或對熱節點進行刪減或擴充，從而使電機熱模型不僅能夠精確反映出實際電機的溫升情況，同時還能夠準確描述電機的瞬態熱過程。
5.
通常，純電動汽車電機運行環境溫度較高（通常高于70℃），同時還要求驅動電機必須具備較強的過載能力、動態響應能力，這就會帶來電機溫升問題。
