论文部分内容阅读
摘 要 无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Machine，BDFM）运行工况多且变频供电时电机损耗分布，对BDFM电机的研究文章较少。以一台Y2型BDFM电机为例，采用有限元法计算了其在启动过程中的二维暂态温度场。计算结果揭示了启动状态下BDFM的温度分布规律，即BDFM电机在启动过程中，整个电机内温度分布不均，且启动到稳定过程，其最高温度始终位于径向位置对应于接线盒的定子绕组处。所得结论可以为永磁风力发电机通风结构的设计提供参考。
关键词 无刷双馈电机；运行工况；温度场；有限元法
中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）20-0050-01
近年来，随着科技的进步与电网技术的发展，电机的功率密度与结构日新月异。而无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Machine，BDFM），其在結构上将以往电机所必须的电刷和滑环取消，其新结构降低了电机旋转时产生的摩擦损耗，在一定程度上提高运行的可靠性。
然而，BDFM运行机理复杂，在变频器供电情况下，其磁场中谐波含量较大，从而加大了电磁损耗与谐波损耗，直接导致电机的热流密度的增大，从而导致运行时温升过高等现象，因此，在电机设计阶段，通过有限元方法，采用机电能量转换的方法，对电机的绕组、铁心等部件进行间接电磁-热耦合，对BDFM启动时温升变化规律及其稳定后温度场进行准确分析，确定电机内温升最热点，对检验电机设计是否合理具有重要的意义，通过仿真结果可以对设计方案进行优化，避免因电机因热量过多而造成的电机损坏。
1 模型确定及求解条件
1.1 数学模型
针对永磁驱动电机二维瞬态温度场及流体场进行数值研究，由传热学基本原理可知，对稳态温度场进行求解时，导热方程中含时间项。在二维笛卡尔坐标下，将求解域内材料假设为各项同性，其导热方程可表示为如下形式：
（1）
式中：为固体待求温度，K；、为求解域内各种材料沿、以及方向的导热系数，；为求解域内各热源体密度之和，；为散热表面的散热系数，； 为散热面周围流体的温度，K。
1.2 物理模型
文中BDFM电机求解域物理模型如图1所示。
图1 求解域物理模型
1.3 基本假设
文中电机为外置风扇冷却结构，电机内部无风扇性元件且空气密封。为了合理求解，做出如下假设：
1）电机整体沿轴向的温度梯度不变，采用二维温度模型。
2）由于电机在运行过程中，电磁稳定过程及其短暂，而电机内热交换过程时间较长，因此电机内各损耗采用稳定后数值。
3）定转子槽内各种绝缘材料与主绝缘相同。。
1.4 边界条件
求解域内具体边界条件如下：
1）在机壳表面接线盒区域，自然对流散热和辐射散热起主要作用，计算可得接线盒区域的散热系数为19 W/m2℃。
2）为简化分析，将气隙内旋转的空气等效为静止固体，采用固体的导热系数来仿真定转子之间的热传递。运用经验公式，计算得到定转子等效固体的导热系数为0.0244 W/m℃。
2 温升计算结果对比分析
通过对非定常温度场模型的求解，采用有限元法，可得到电机内温升分布。其不同时刻得到的样机定转子温度分布规律不同。
图2 求解域内最高温度随时间变化图
由此可见，样机在运行初始阶段，定转子全域中温差不大，各部分温度分布比较均匀，最高温度和最低温度分别为47℃和43℃；当无刷双馈电机运行稳定后（120 min后），由图中可以看出全域温度分布规律，定转子全域中温差明显增大，位于接线盒附近的定子控制绕组温度最高，达到98℃，而位于接线盒对面的机壳散热翅温度最低，仅有73.7℃。最高温度和最低温度分别出现在位于接线盒附近的定子控制绕组上部以及位于接线盒对面的机壳散热翅顶部。
给出了样机定转子全域中绕组温度，即全域内最高温度位置点随时间变化曲线。由此可见，随着运行时间的增加，最高温度按指数规律增加，在120 min之后，最高温度基本不再变化，最后稳定于98℃。
3 结论
1）电机温升计算结果与实际启动性能吻合，本文所确立的求解方法合理，为后续优化方案的研究奠定了基础。
2）BDFM的谐波含量及其引起的损耗和发热大，全域中温度分布不均，最高温度位于接线盒附近的定子控制绕组上部。
3）Y2型无刷双馈电机温度稳定时间为120min，对后续温度测量工作具有指导意义。
参考文献
[1]S. Williamson， A. C. Ferreira， A. K. Wallace. Generalised theory of the brushless doubly-fed machine. Part 1：Analysis[J]. IEE Pro. Ele. Power Appl.， 1997， 144（2）：111-122.
[2]Suhas V Patankar， Numerical heat transfer and fluid flow[M].Minnesota univ Minneapolis dept of mechanical engineering， 2009：130-156.
关键词 无刷双馈电机；运行工况；温度场；有限元法
中图分类号：TM343 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）20-0050-01
近年来，随着科技的进步与电网技术的发展，电机的功率密度与结构日新月异。而无刷双馈电机（Brushless Doubly-Fed Machine，BDFM），其在結构上将以往电机所必须的电刷和滑环取消，其新结构降低了电机旋转时产生的摩擦损耗，在一定程度上提高运行的可靠性。
然而，BDFM运行机理复杂，在变频器供电情况下，其磁场中谐波含量较大，从而加大了电磁损耗与谐波损耗，直接导致电机的热流密度的增大，从而导致运行时温升过高等现象，因此，在电机设计阶段，通过有限元方法，采用机电能量转换的方法，对电机的绕组、铁心等部件进行间接电磁-热耦合，对BDFM启动时温升变化规律及其稳定后温度场进行准确分析，确定电机内温升最热点，对检验电机设计是否合理具有重要的意义，通过仿真结果可以对设计方案进行优化，避免因电机因热量过多而造成的电机损坏。
1 模型确定及求解条件
1.1 数学模型
针对永磁驱动电机二维瞬态温度场及流体场进行数值研究，由传热学基本原理可知，对稳态温度场进行求解时，导热方程中含时间项。在二维笛卡尔坐标下，将求解域内材料假设为各项同性，其导热方程可表示为如下形式：
（1）
式中：为固体待求温度，K；、为求解域内各种材料沿、以及方向的导热系数，；为求解域内各热源体密度之和，；为散热表面的散热系数，； 为散热面周围流体的温度，K。
1.2 物理模型
文中BDFM电机求解域物理模型如图1所示。
图1 求解域物理模型
1.3 基本假设
文中电机为外置风扇冷却结构，电机内部无风扇性元件且空气密封。为了合理求解，做出如下假设：
1）电机整体沿轴向的温度梯度不变，采用二维温度模型。
2）由于电机在运行过程中，电磁稳定过程及其短暂，而电机内热交换过程时间较长，因此电机内各损耗采用稳定后数值。
3）定转子槽内各种绝缘材料与主绝缘相同。。
1.4 边界条件
求解域内具体边界条件如下：
1）在机壳表面接线盒区域，自然对流散热和辐射散热起主要作用，计算可得接线盒区域的散热系数为19 W/m2℃。
2）为简化分析，将气隙内旋转的空气等效为静止固体，采用固体的导热系数来仿真定转子之间的热传递。运用经验公式，计算得到定转子等效固体的导热系数为0.0244 W/m℃。
2 温升计算结果对比分析
通过对非定常温度场模型的求解，采用有限元法，可得到电机内温升分布。其不同时刻得到的样机定转子温度分布规律不同。
图2 求解域内最高温度随时间变化图
由此可见，样机在运行初始阶段，定转子全域中温差不大，各部分温度分布比较均匀，最高温度和最低温度分别为47℃和43℃；当无刷双馈电机运行稳定后（120 min后），由图中可以看出全域温度分布规律，定转子全域中温差明显增大，位于接线盒附近的定子控制绕组温度最高，达到98℃，而位于接线盒对面的机壳散热翅温度最低，仅有73.7℃。最高温度和最低温度分别出现在位于接线盒附近的定子控制绕组上部以及位于接线盒对面的机壳散热翅顶部。
给出了样机定转子全域中绕组温度，即全域内最高温度位置点随时间变化曲线。由此可见，随着运行时间的增加，最高温度按指数规律增加，在120 min之后，最高温度基本不再变化，最后稳定于98℃。
3 结论
1）电机温升计算结果与实际启动性能吻合，本文所确立的求解方法合理，为后续优化方案的研究奠定了基础。
2）BDFM的谐波含量及其引起的损耗和发热大，全域中温度分布不均，最高温度位于接线盒附近的定子控制绕组上部。
3）Y2型无刷双馈电机温度稳定时间为120min，对后续温度测量工作具有指导意义。
参考文献
[1]S. Williamson， A. C. Ferreira， A. K. Wallace. Generalised theory of the brushless doubly-fed machine. Part 1：Analysis[J]. IEE Pro. Ele. Power Appl.， 1997， 144（2）：111-122.
[2]Suhas V Patankar， Numerical heat transfer and fluid flow[M].Minnesota univ Minneapolis dept of mechanical engineering， 2009：130-156.