電機溫升的案例
大功率永磁同步電機溫升研究
5、電機溫升實驗及誤差分析
為驗證數(shù)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(jié)果表明，修正后的數(shù)值計算溫升時間與實驗誤差在4%以內(nèi)，仿真計算溫升時間與實驗誤差在5%以內(nèi)，兩種計算方法具有一定的準確性。
考慮溫度場和流場的永磁同步電機折返型冷卻水道設(shè)計
0 引言
永磁同步電機因具有功率密度高、效率高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，成為新能源汽車驅(qū)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(fā)展，再加上新能源汽車用永磁同步電機的密閉式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電機運行時散熱環(huán)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(fā)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(nèi)部，通過機殼內(nèi)部水道中的循環(huán)冷卻介質(zhì)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(jié)構(gòu)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(zhì)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(chǎn)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(tǒng)的布置，因而被廣泛應(yīng)用。
現(xiàn)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(jié)構(gòu)參數(shù)進行細化研究，對折返型水道結(jié)構(gòu)參數(shù)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(jié)構(gòu)參數(shù)進行設(shè)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(nèi)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(jù)此得到水道結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)，實現(xiàn)了電機低溫升的設(shè)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：一臺電機的“高考考場”同軸度、溫升、負載，少一分都不行
電機試驗平臺的技術(shù)參數(shù)并非一組固定的數(shù)字，而是根據(jù)被測電機的類型、功率等級和應(yīng)用場景構(gòu)成的一個多維度的指標體系。理解這些參數(shù)，是選擇、驗收或操作一臺試驗平臺的基礎(chǔ)。
我將這些參數(shù)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(jié)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(chǔ)參數(shù)。
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(dāng)廣，從用于微特電機的瓦級平臺，到用于大型工業(yè)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(zhuǎn)矩測試平臺。
中的功率：如華中科技大學(xué)搭建的60kW、250kW測試系統(tǒng)，用于新能源汽車或航空伺服電機研發(fā)。
大功率：浙江大學(xué)的永磁牽引電機測試平臺，其變頻電源系統(tǒng)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(zhuǎn)速范圍
決定了平臺能測試電機的比較高轉(zhuǎn)速，對于高速電機（如主軸電機、無人機電機）至關(guān)重要。
常規(guī)轉(zhuǎn)速：0~5000rpm、8000rpm、10000rpm是比較常見的等級。
高轉(zhuǎn)速：隨著技術(shù)進步，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)可控運轉(zhuǎn)。
大力矩低轉(zhuǎn)速：與高轉(zhuǎn)速對應(yīng)，一些大力矩平臺則強調(diào)低轉(zhuǎn)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(guān)鍵。
微扭矩：對于微型電機，扭矩范圍可能在0~100mNm。
展開 基于Motor-CAD的電機電磁和溫升的快速計算
圖15
圖16
圖17
圖18
熱計算
電磁計算的損耗數(shù)據(jù)是熱計算的輸入源，因此基于電磁計算的結(jié)果對電機的散熱進行分析。
熱計算建模在電磁基礎(chǔ)上添加了機座、冷卻道等結(jié)構(gòu)。圖19是熱計算徑向數(shù)據(jù)設(shè)置，而后進行軸向數(shù)據(jù)的設(shè)置，以此建立冷卻水道，具體設(shè)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(guān)注這些方面。本例中的浸漆設(shè)置、絕緣設(shè)置、繞組在槽內(nèi)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(shè)置電機所處的環(huán)境溫度。而后設(shè)置入口水的流量，這里需要提醒一下，一般都是習(xí)慣用每分鐘多少升作為計量單位，因此需要提前設(shè)置為“l(fā)/min”，同時設(shè)置恒定流量為6.5L/min，如圖22。
圖22
圖23
設(shè)定流量之后，需要指定流體的材質(zhì)類型和屬性，圖24是展示了本次計算的冷卻介質(zhì)的屬性設(shè)置。圖25設(shè)置了電機實體部分的材料熱屬性設(shè)置。剩下的采取默認設(shè)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(dǎo)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(wěn)態(tài)時溫度分布情況，并且損耗來自電磁計算結(jié)果。
Motor-CAD熱計算依據(jù)熱網(wǎng)絡(luò)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 
電機散熱系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
相變儲熱技術(shù)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(shù)利用工質(zhì)的氣液相變循環(huán)實現(xiàn)高效傳熱的技術(shù)。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(zhì)三部分，其工作原理如圖15所示。熱管的殼體是密封結(jié)構(gòu)并進行了抽真空處理，吸液芯附著在殼體內(nèi)壁，工質(zhì)在蒸發(fā)段遇熱氣化并吸收大量的熱量，導(dǎo)致蒸發(fā)段氣體壓力上升并驅(qū)動工質(zhì)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(tài)工質(zhì)在吸液芯的驅(qū)動下回到蒸發(fā)段。
圖15 熱管工作原理
Fig.15 Working principle of heat pipe
將相變熱管理技術(shù)應(yīng)用于電機散熱系統(tǒng)，在電機高發(fā)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(wěn)定運行時長、抑制電機溫升，實現(xiàn)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(yōu)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(jù)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(nèi)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(jié)構(gòu)并灌注石蠟，并采用前后端蓋進行密封以避免液態(tài)石蠟泄漏。有限元仿真及實驗測試證明，當(dāng)電機工作在連續(xù)模式時，機殼內(nèi)部的石蠟可以有效延長電機的運行時間約32.7%；當(dāng)電機工作在周期模式時，機殼內(nèi)部的石蠟可以降低電機的峰值溫度約7.82 ℃。
展開 電機殼體冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計及熱仿真分析
由此可見，如何解決好熱量由定子繞組→冷卻介質(zhì)的傳遞，就成為了解決電機溫升問題的關(guān)鍵。
三相異步電動機低諧波繞組的特點及應(yīng)用
2
低諧波繞組與普通雙層疊繞組及普通單層繞組性能對比
通過樣機試驗對比分析，采用低諧波繞組的電機性能較普通雙層繞組及普通單層繞組電機性能有幾個明顯不同之處，具體如下：
（1）設(shè)計時的側(cè)重點之調(diào)整
在設(shè)計低諧波繞組電磁方案時，除考慮保證電機各項性能指標符合產(chǎn)品標準規(guī)定外，還要顧及用戶在實際使用和直接感觀到的一些性能指標，如對電機溫升、起動、空載電流、噪聲、振動和過載能力等，在設(shè)計時都有所側(cè)重。特別是對溫升指標，因該指標無容差規(guī)定，故在設(shè)計時要留一定裕度。若溫升裕度過小，往往會因制造工藝或原材料質(zhì)量的波動，電機溫升有可能不合格。解決電機溫升的途徑有很多，可從工藝和結(jié)構(gòu)上進行改進，也可運用低諧波繞組方案改進。針對在從工藝或結(jié)構(gòu)上難以降低溫升的情況下，運用低諧波繞組可消除或削弱電機的高次諧波的優(yōu)勢，從而可以降低雜耗，使其達到降低溫升的效果。
（2）設(shè)計時對效率指標的控制
為確保電機的實測效率指標控制在規(guī)定范圍內(nèi)，故在設(shè)計低諧波繞組電機時，將效率設(shè)計值置于大于標準規(guī)定值一定范圍以上。這里需說明：由于受測試條件限制，很多電機生產(chǎn)企業(yè)對于電機的雜散耗只能根據(jù)產(chǎn)品標準規(guī)定，由計算的方法而得出，即不是實測值，而實際上很多規(guī)格電機產(chǎn)品雜散損耗比標準給定值高很多，從而造成計算結(jié)果中效率值比實測效率值低。
展開 電機疑難雜癥十三例，你碰到過哪些？
1、電機為什么會產(chǎn)生軸電流？
電機的軸---軸承座---底座回路中的電流稱為軸電流。
軸電流產(chǎn)生的原因：
（1）磁場不對稱；
（2）供電電流中有諧波；
（3）制造、安裝不好，由于轉(zhuǎn)子偏心造成氣隙不勻；
（4）可拆式定子鐵心兩個半圓間有縫隙；
（5）有扇形疊成的定子鐵心的拼片數(shù)目選擇不合適。
危害：
使電機軸承表面或滾珠受到侵蝕，形成點狀微孔，使軸承運轉(zhuǎn)性能惡化，摩擦損耗和發(fā)熱增加，最終造成軸承燒毀。
預(yù)防：
（1）消除脈動磁通和電源諧波（如在變頻器輸出側(cè)加裝交流電抗器）；
（2）一種方案是增加絕緣手段，截斷軸電流的傳導(dǎo)途徑。即電機設(shè)計時，將滑動軸承的軸承座和底座絕緣，滾動軸承的外圈和端蓋絕緣，例如使用昂貴的陶瓷軸承。 另外一種方案則是疏導(dǎo)：如使用導(dǎo)電刷(大多數(shù)方案)、導(dǎo)電軸承（model3）、導(dǎo)電環(huán)（etron）、導(dǎo)電油封（zoe）、導(dǎo)電碳環(huán)(leaf)等將軸電流導(dǎo)出到外殼的接地端，消除軸電流對軸承潤滑脂的破壞作用。
2、為什么一般電機不能用于高原地區(qū)？
海拔高度對電機溫升，電機電暈（高壓電機）及直流電機的換向均有不利影響。應(yīng)注意以下三方面：
（1）海拔高，電機溫升越大，輸出功率越小。但當(dāng)氣溫隨海拔的升高而降低足以補償海拔對溫升的影響時，電機的額定輸出功率可以不變；
（2）高壓電機在高原使用時要采取防電暈措施；
（3）海拔高度對直流電機換向不利，要注意碳刷材料的選用。
3、電機為什么不宜輕載運行？
電機輕載運行時，會造成：
（1）電機功率因數(shù)低；
（2）電機效率低。
展開 電驅(qū)系統(tǒng)-絕緣等級
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(shè)計及運行中的一項重要指標，標志著電機的發(fā)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(jié)合字面意思和經(jīng)驗，性能參考溫度應(yīng)該是表示絕緣材料能夠正常發(fā)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）。
車用電機常用的絕緣材料的絕緣等級為H級，最高工作溫度180℃，同時由于電機溫升有“慣性”，且高溫會影響磁性材料的磁性，所以，在進行電機溫度故障診斷設(shè)計時，往往將電機保護溫度設(shè)在電機性能溫度附近。
展開 電機十三問哪一條問倒你了
1、電機為什么會產(chǎn)生軸電流？
電機的軸---軸承座---底座回路中的電流稱為軸電流。
軸電流產(chǎn)生的原因：
（1）磁場不對稱；
（2）供電電流中有諧波；
（3）制造、安裝不好，由于轉(zhuǎn)子偏心造成氣隙不勻；
（4）可拆式定子鐵心兩個半圓間有縫隙；
（5）有扇形疊成的定子鐵心的拼片數(shù)目選擇不合適。
危害：
使電機軸承表面或滾珠受到侵蝕，形成點狀微孔，使軸承運轉(zhuǎn)性能惡化，摩擦損耗和發(fā)熱增加，最終造成軸承燒毀。
預(yù)防：
（1）消除脈動磁通和電源諧波（如在變頻器輸出側(cè)加裝交流電抗器）；
（2）電機設(shè)計時，將滑動軸承的軸承座和底座絕緣，滾動軸承的外圈和端蓋絕緣。
2、為什么一般電機不能用于高原地區(qū)？
海拔高度對電機溫升，電機電暈（高壓電機）及直流電機的換向均有不利影響。應(yīng)注意以下三方面：
（1）海拔高，電機溫升越大，輸出功率越小。但當(dāng)氣溫隨海拔的升高而降低足以補償海拔對溫升的影響時，電機的額定輸出功率可以不變；
（2）高壓電機在高原使用時要采取防電暈措施；
（3）海拔高度對直流電機換向不利，要注意碳刷材料的選用。
展開 電機十三問，你會幾個？
1、電機為什么會產(chǎn)生軸電流？
電機的軸---軸承座---底座回路中的電流稱為軸電流。
軸電流產(chǎn)生的原因：
（1）磁場不對稱；
（2）供電電流中有諧波；
（3）制造、安裝不好，由于轉(zhuǎn)子偏心造成氣隙不勻；
（4）可拆式定子鐵心兩個半圓間有縫隙；
（5）有扇形疊成的定子鐵心的拼片數(shù)目選擇不合適。
危害：
使電機軸承表面或滾珠受到侵蝕，形程點狀微孔，使軸承運轉(zhuǎn)性能惡化，摩擦損耗和發(fā)熱增加，最終造成軸承燒毀。
預(yù)防：
（1）消除脈動磁通和電源諧波（如在變頻器輸出側(cè)加裝交流電抗器）；
（2）電機設(shè)計時，將滑動軸承的軸承座和底座絕緣，滾動軸承的外圈和端蓋絕緣。
2、為什么一般電機不能用于高原地區(qū)？
海拔高度對電機溫升，電機電暈（高壓電機）及直流電機的換向均有不利影響。應(yīng)注意以下三方面：
（1）海拔高，電機溫升越大，輸出功率越小。但當(dāng)氣溫隨海拔的升高而降低足以補償海拔對溫升的影響時，電機的額定輸出功率可以不變；
（2）高壓電機在高原使用時要采取防電暈措施；
（3）海拔高度對直流電機換向不利，要注意碳刷材料的選用。
3、電機為什么不宜輕載運行？
電機輕載運行時，會造成：
（1）電機功率因數(shù)低；
（2）電機效率低。
會造成設(shè)備浪費，運行不經(jīng)濟。
4、電機過熱的原因有哪些？
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【收藏】電機的常見小故障匯總
為什么一般電機
不能用于高原地區(qū)?
海拔高度對電機溫升，電機電暈(高壓電機)及直流電機的換向均有不利影響。
應(yīng)注意以下三方面：
(1) 海拔高，電機溫升越大，輸出功率越小。但當(dāng)氣溫隨海拔的升高而降低足以補償海拔對溫升的影響時，電機的額定輸出功率可以不變;
(2) 高壓電機在高原使用時要采取防電暈措施;
(3) 海拔高度對直流電機換向不利，要注意碳刷材料的選用。
電機為什么不宜輕載運行?
電機輕載運行時，會造成：
(1) 電機功率因數(shù)低;
(2) 電機效率低。
會造成設(shè)備浪費，運行不經(jīng)濟。
電機過熱的原因有哪些?
展開 電機的常見小故障匯總，90%的電工老師傅都收藏了！
海拔高度對電機溫升，電機電暈(高壓電機)及直流電機的換向均有不利影響。
應(yīng)注意以下三方面：
(1) 海拔高，電機溫升越大，輸出功率越小。但當(dāng)氣溫隨海拔的升高而降低足以補償海拔對溫升的影響時，電機的額定輸出功率可以不變;
(2) 高壓電機在高原使用時要采取防電暈措施;
(3) 海拔高度對直流電機換向不利，要注意碳刷材料的選用。
電機為什么不宜輕載運行?
電機輕載運行時，會造成：
(1) 電機功率因數(shù)低;
(2) 電機效率低。
會造成設(shè)備浪費，運行不經(jīng)濟。
電機過熱的原因有哪些?
(1)負載過大;
(2)缺相;
(3)風(fēng)道堵塞;
(4)低速運行時間過長;
(5)電源諧波過大。
久置不用的電機
投入前需要做哪些工作?
展開 電機CAE仿真解決方案
噪聲分析
電機產(chǎn)生的三類噪聲及主要聲源如下圖所示，本項目對電磁噪聲和氣動噪聲進行了仿真，驗證了電機噪聲是否滿足設(shè)計要求。
（1） 電磁噪聲
通過電磁分析得到定子齒部的電磁力，映射處理至電機結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格模型中，通過FFT進行時頻轉(zhuǎn)換后，進行掃頻分析得到結(jié)構(gòu)的頻率響應(yīng)，以此結(jié)果進行噪聲分析。
圖5 振動-噪聲分析流程
（2） 氣動噪聲
除電磁噪聲外，還分析了氣動噪聲。通過流體分析得到電機內(nèi)部流場，并通過瞬態(tài)分析得到電機內(nèi)部流動隨時間的變化，最終通過FW-H分析方法預(yù)測氣動噪聲。
三、 散熱分析
電機的散熱設(shè)計影響到電機溫升，溫度的變化會影響鐵心和繞組的性能參數(shù)，進而影響電機的損耗和輸出功率。再反過來又影響電機的溫升。分析中考慮電磁—熱雙向耦合，最終得到電機額定工況下的流場和溫度場，包括電機內(nèi)部熱空氣循環(huán)流量、鐵芯氣隙流量分配及溫度分布、定轉(zhuǎn)子等的溫度分布等。通過分析，提出了合理改善電機通風(fēng)的方法。
圖6 散熱分析流程
四、 結(jié)論
本文針對電機設(shè)計所涉及到的電機結(jié)構(gòu)強度、模態(tài)、噪聲、散熱冷卻等問題提供了CAE多物理場仿真分析解決方案。同時為后續(xù)建立電機產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計平臺提供了有效的工具和方法。
展開 一般情況下，電動機機身溫度超過多少會燒壞？
一般來說電機絕緣等級如果是A級，環(huán)境溫度40℃，那么電機的外殼溫度應(yīng)該小于60℃。
電機各部位的溫度限度
1、與繞組接觸的鐵心溫升(溫度計法)應(yīng)不超過所接觸的繞組絕緣的溫升限度(電阻法)，即A級為60℃，E級為75℃，B級為80℃，F(xiàn)級為100℃，H級為125℃。
2、滾動軸承溫度應(yīng)不超過95℃，滑動軸承的溫度應(yīng)不超過80℃。因溫度太高會使油質(zhì)發(fā)生變化和破壞油膜。
3、機殼溫度實踐中往往以不燙手為準。
4、鼠籠轉(zhuǎn)子表面雜散損耗很大，溫度較高，一般以不危及鄰近絕緣為限。可預(yù)先刷上不可逆變色漆來估計。
電機的溫度與溫升
衡量電機發(fā)熱程度是用“溫升”而不是用“溫度”，當(dāng)“溫升”突然增大或超過最高工作溫度時，說明電機已發(fā)生故障。下面就一些基本概念進行討論。
1、絕緣材料的絕緣等級
絕緣材料按耐熱能力分為Y、A、E、B、F、H、C7個等級，其極限工作溫度分別為90、105、120、130、155、180℃、及180℃以上。
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