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摘 要： 对永磁同步电机的损耗和温度场进行研究综述。对永磁同步电机的热分析研究进行综述，并介绍了永磁同步电机中的重要损耗。本文对比了解析法和数值法两种不同类型的热分析法，并考虑了每种方法的优缺点，同时对各种散热形式作了介绍.
关键词： 永磁同步电机；磁损耗；热分析
【中图分类号】 TM47 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）05-0251-01
1 引言
现如今由于客户对高效率、小型化、紧凑型电机的需求日益上升[1]，对设计者来说电机的温度场设计变得更具有挑战性。过去的电机温度场设计看起来并不重要并且易于实现，这些结论是通过比较一定数量的电机电磁设计与温度场设计文献得出的。其原因显而易见，电机设计者是电气工程专业，而温度场设计领域与机械工程有关。电机的热分析比电磁设计更为复杂。一个电机的热场模型与制造过程直接相关；与电磁设计相比，电机的热分析始终是一个三维问题。在某些热力学现象中，电机的热现象不能用纯粹的数学关系来描述[2-3]。本文的主要目的是介绍永磁辅助式同步磁阻电机中的损耗，并对电机的热分析方法和电机散热进行介绍，为永磁电机热分析提供基础。
2.损耗
永磁同步电机中的损耗主要分为三类： 定子铜损、铁芯损耗和磁损耗。定子铜耗由交流部分和直流部分两部分组成。直流部分的损耗包括温度对绕组电阻增大的影响，交流部分的损耗包括趋肤效应和邻近效应。高速电机以及有变频器的绕组式电机中直流部分的损耗更为显著。减少交流中铜耗量有两种方法： 使用绞线或分裂子导线。迄今为止许多研究课题都在处理铁耗这一复杂的问题。最常见的原则有两项法和三项法， 此类方法都基于斯坦梅茨和贝尔托蒂的早期工作。两项法把铁芯损耗分为两类，即磁滞损耗（静态损耗）和涡流损耗（动态损耗）。磁损耗是磁体中由于线槽旋转、电源或其它几何效应产生的高次谐波磁通所感应的磁场涡流引起的。
2 热场分析方法
2.1 基于集总参数的热分析 。
集总参数热网络（ LPTN）分析法用于计算来自电机不同部位的热传递与热流动，这种解析方法的优点是计算速度快。因此用这种方法计算热场电路中不同部位的温度用时短。在计算过程中确定传热路径的准确性起着重要的作用，温度几乎相同的组件集中在一起用一个节点表示，主要的热传递方式是通过节点间的热阻抗表示的。例如热量通过一些传导电阻从线圈流到槽齿处，再到铁芯和机体框架，最后借助于对流和辐射电阻从框架转移到电机外部环境。在绘制了所有主要的热量传递路径后，构建的热场模型看起来像是由热电阻和电源组成的网络。热场等效环路类似于一个电路系统，其温度就像电压，功率损耗就像电流源，热阻就像电阻 。每当需要获取热场信息时，就通过迭代求解网络矩阵的方法计算得到节点温度。
2.2 数值分析法。
数值分析分为两类：有限元分析（ FEA） 和计算流体动力学（ CFD）。
有限元分析法是二维和三维模型中电磁设计与计算的常用方法。考虑到温度场设计的重要性才将其加入到有限元分析软件中，该方法在计算电机内部热传导方面非常精确。为了计算接触、对流和辐射电阻，也需要用到集总参数热网络中的经验公式和计算流程。有限元法不同于集总参数热网络，它可以精确地计算电机内部功率损耗的不均匀分布情况。这种方法非常耗时， 需要花费大量的时间来构造模型，因此它被用在一个无法用集总参数热网络计算的复杂模型。
计算流体动力学方法是一种复合方法。它除了计算传热外，还具有流体流动预测的能力。因此，设计者应具备流体和传热的知识。在实际中，当经验公式和一般公式不能用于传热预测时就会用到该方法，例如端部绕组和端盖区域的热场分析。这种方法也用来计算对流换热系数。
3散热
电机散热有三种形式： 传导、对流和辐射。
传导散热有两种不同的机理： 第一种是对分子相互作用與分子振动进行定义；第二种是依据材料中的自由电子定义。传导电阻主要取决于材料的导热系数和材料的尺，当导电材料有很高的导热系数或者传热面积与路径长度的比值较大时，传导电阻降低。传导电阻计算中有两个关键区域： 一个区域与定子槽相关，另一个区域与不同材料间的界面或接触电阻有关。线槽区域的铜导体、导体绝缘（ 导体搪瓷） 、槽绝缘和浸渍材料都有不同的导热系数。通常导电材料也是良好的热导体，但是绝缘和浸渍材料的电导率较低。因此这些材料不能有效地将热能传递到齿槽处。设计者们采用等效导热系数的方法来克服这样的建模问题。集总参数热网络中对线槽等效导热系数的计算有不同的解析方法，比如立体绕组模型、分层绕组模型和等效绝缘法。
对流是最显著的传热方法，它因冷却流体运动而产生。对流的类型分为两种： 自然对流和强制对流。当物体放置到不同温度的流体中时会发生自然对流，其物理定义是浮力；强制对流中的流体运动是由风扇、泵或风机这样的外力造成的。对流电阻的计算中存在三个关键区域： 第一个是电机外表面的散热片，第二个与电机的末端空间有关，最后一个与气隙的传热有关。电机光滑表面传热系数的计算比较简单，但是轴向和径向散热片表面的传热系数需要更复杂的公式来计算，因此，该区域需要基于组合公式进行计算。该方法中，任何一个复杂散热片几何形状的计算都基于水平板、垂直板、气缸和其他几何形状的组合。
辐射是一种不需要介质传热的热传递现象。辐射发生在电机的内部和外部，使得辐射角系数的计算难度较大。例如，计算端部绕组和绕组的辐射角系数是相当困难的。关于辐射的另外一个难题是辐射与对流同时发生，通过测量区分这两种现象是十分困难的。实际中采用真空室实验设备来测量辐射系数，这种设备在普通实验室中并不常见。当辐射与自然对流同时存在时辐射变得更加显著，但在强迫对流的情况下辐射可以忽略，此时辐射电阻远远大于强制对流电阻。
4结论
本文对永磁同步电机的热分析研究进行综述，并介绍了永磁同步电机中的重要损耗。本文对比了解析法和数值法两种不同类型的热分析法，并考虑了每种方法的优缺点，同时对各种散热形式作了介绍，为永磁同步电机热分析研究提供借鉴。
参考文献
[1] 徐定旺，王秀和，董兴华.高速永磁同步风力发电机的设计研究[J].微特电机，2016，44（8）：15-18.
[2] 徐云龙.高速永磁电机损耗计算与热分析[D].沈阳：沈阳工业大学，2009.
[3] 梁培鑫.永磁同步轮毂电机发热及散热问题的研究[D].哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2013
关键词： 永磁同步电机；磁损耗；热分析
【中图分类号】 TM47 【文献标识码】 A【文章编号】 2236-1879（2018）05-0251-01
1 引言
现如今由于客户对高效率、小型化、紧凑型电机的需求日益上升[1]，对设计者来说电机的温度场设计变得更具有挑战性。过去的电机温度场设计看起来并不重要并且易于实现，这些结论是通过比较一定数量的电机电磁设计与温度场设计文献得出的。其原因显而易见，电机设计者是电气工程专业，而温度场设计领域与机械工程有关。电机的热分析比电磁设计更为复杂。一个电机的热场模型与制造过程直接相关；与电磁设计相比，电机的热分析始终是一个三维问题。在某些热力学现象中，电机的热现象不能用纯粹的数学关系来描述[2-3]。本文的主要目的是介绍永磁辅助式同步磁阻电机中的损耗，并对电机的热分析方法和电机散热进行介绍，为永磁电机热分析提供基础。
2.损耗
永磁同步电机中的损耗主要分为三类： 定子铜损、铁芯损耗和磁损耗。定子铜耗由交流部分和直流部分两部分组成。直流部分的损耗包括温度对绕组电阻增大的影响，交流部分的损耗包括趋肤效应和邻近效应。高速电机以及有变频器的绕组式电机中直流部分的损耗更为显著。减少交流中铜耗量有两种方法： 使用绞线或分裂子导线。迄今为止许多研究课题都在处理铁耗这一复杂的问题。最常见的原则有两项法和三项法， 此类方法都基于斯坦梅茨和贝尔托蒂的早期工作。两项法把铁芯损耗分为两类，即磁滞损耗（静态损耗）和涡流损耗（动态损耗）。磁损耗是磁体中由于线槽旋转、电源或其它几何效应产生的高次谐波磁通所感应的磁场涡流引起的。
2 热场分析方法
2.1 基于集总参数的热分析 。
集总参数热网络（ LPTN）分析法用于计算来自电机不同部位的热传递与热流动，这种解析方法的优点是计算速度快。因此用这种方法计算热场电路中不同部位的温度用时短。在计算过程中确定传热路径的准确性起着重要的作用，温度几乎相同的组件集中在一起用一个节点表示，主要的热传递方式是通过节点间的热阻抗表示的。例如热量通过一些传导电阻从线圈流到槽齿处，再到铁芯和机体框架，最后借助于对流和辐射电阻从框架转移到电机外部环境。在绘制了所有主要的热量传递路径后，构建的热场模型看起来像是由热电阻和电源组成的网络。热场等效环路类似于一个电路系统，其温度就像电压，功率损耗就像电流源，热阻就像电阻 。每当需要获取热场信息时，就通过迭代求解网络矩阵的方法计算得到节点温度。
2.2 数值分析法。
数值分析分为两类：有限元分析（ FEA） 和计算流体动力学（ CFD）。
有限元分析法是二维和三维模型中电磁设计与计算的常用方法。考虑到温度场设计的重要性才将其加入到有限元分析软件中，该方法在计算电机内部热传导方面非常精确。为了计算接触、对流和辐射电阻，也需要用到集总参数热网络中的经验公式和计算流程。有限元法不同于集总参数热网络，它可以精确地计算电机内部功率损耗的不均匀分布情况。这种方法非常耗时， 需要花费大量的时间来构造模型，因此它被用在一个无法用集总参数热网络计算的复杂模型。
计算流体动力学方法是一种复合方法。它除了计算传热外，还具有流体流动预测的能力。因此，设计者应具备流体和传热的知识。在实际中，当经验公式和一般公式不能用于传热预测时就会用到该方法，例如端部绕组和端盖区域的热场分析。这种方法也用来计算对流换热系数。
3散热
电机散热有三种形式： 传导、对流和辐射。
传导散热有两种不同的机理： 第一种是对分子相互作用與分子振动进行定义；第二种是依据材料中的自由电子定义。传导电阻主要取决于材料的导热系数和材料的尺，当导电材料有很高的导热系数或者传热面积与路径长度的比值较大时，传导电阻降低。传导电阻计算中有两个关键区域： 一个区域与定子槽相关，另一个区域与不同材料间的界面或接触电阻有关。线槽区域的铜导体、导体绝缘（ 导体搪瓷） 、槽绝缘和浸渍材料都有不同的导热系数。通常导电材料也是良好的热导体，但是绝缘和浸渍材料的电导率较低。因此这些材料不能有效地将热能传递到齿槽处。设计者们采用等效导热系数的方法来克服这样的建模问题。集总参数热网络中对线槽等效导热系数的计算有不同的解析方法，比如立体绕组模型、分层绕组模型和等效绝缘法。
对流是最显著的传热方法，它因冷却流体运动而产生。对流的类型分为两种： 自然对流和强制对流。当物体放置到不同温度的流体中时会发生自然对流，其物理定义是浮力；强制对流中的流体运动是由风扇、泵或风机这样的外力造成的。对流电阻的计算中存在三个关键区域： 第一个是电机外表面的散热片，第二个与电机的末端空间有关，最后一个与气隙的传热有关。电机光滑表面传热系数的计算比较简单，但是轴向和径向散热片表面的传热系数需要更复杂的公式来计算，因此，该区域需要基于组合公式进行计算。该方法中，任何一个复杂散热片几何形状的计算都基于水平板、垂直板、气缸和其他几何形状的组合。
辐射是一种不需要介质传热的热传递现象。辐射发生在电机的内部和外部，使得辐射角系数的计算难度较大。例如，计算端部绕组和绕组的辐射角系数是相当困难的。关于辐射的另外一个难题是辐射与对流同时发生，通过测量区分这两种现象是十分困难的。实际中采用真空室实验设备来测量辐射系数，这种设备在普通实验室中并不常见。当辐射与自然对流同时存在时辐射变得更加显著，但在强迫对流的情况下辐射可以忽略，此时辐射电阻远远大于强制对流电阻。
4结论
本文对永磁同步电机的热分析研究进行综述，并介绍了永磁同步电机中的重要损耗。本文对比了解析法和数值法两种不同类型的热分析法，并考虑了每种方法的优缺点，同时对各种散热形式作了介绍，为永磁同步电机热分析研究提供借鉴。
参考文献
[1] 徐定旺，王秀和，董兴华.高速永磁同步风力发电机的设计研究[J].微特电机，2016，44（8）：15-18.
[2] 徐云龙.高速永磁电机损耗计算与热分析[D].沈阳：沈阳工业大学，2009.
[3] 梁培鑫.永磁同步轮毂电机发热及散热问题的研究[D].哈尔滨： 哈尔滨工业大学，2013