轴向磁通永磁同步电动机的热模型研究进展

可在www.sciencedirect.com上在线ScienceDirect电气系统与信息技术学报2（2015）18AFPMSM热模型研究进展J. Shazlya， S. Wahshb， A. Yassina，b，a埃及法尤姆法尤姆大学工程学院电气工程系b埃及吉萨电子研究所电力电子和能源转换系2015年4月16日在线发布摘要本文介绍了轴向磁通永磁同步电动机（AFPSM）和轴向磁通电机的发展历史。阐明了各种电机结构、AFPMSM相对于传统电机的特点及存在的不足AFPMSM正在开发的许多应用程序，由于其有吸引力的功能，这些应用程序中提到。综述了永磁同步电动机热模型的研究现状，以及分析永磁同步电动机热行为的各种方法。© 2015 电 子 研 究 所 （ ERI ） 。 Elsevier B. V. 制 作 和 托 管 这 是 CC BY-NC-ND 许 可 证 下 的 开 放 获 取 文 章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。关键词：轴向磁通永磁同步电动机;热建模;有限元分析;集总参数模型;计算流体动力学;综述1. 介绍AFPSM如今是许多应用中的重要技术，因为它们是径向磁通永磁电机的替代品（Mahmoudi等人，2011），并且近年来它们被用于各种应用中（Acarloval等人， 1996年）。轴向磁通电机与传统电机的不同之处在于磁通的方向与电机的机械轴平行。对机器各部件温升幅度的先验知识很重要，特别是在高速机器设计的情况下。对于设计人员来说，了解热参数的大小并选择合适的冷却策略以提高机器性能也很重要（Funda，2001）。尽管广泛的研究已经致力于传统电机的热研究，但AFPMSM却很少受到关注（Hrabovcová和Brs Pellica，1990年;Spooner和Chalmers，1992年;Wang等人，2005年）。然而，在这些类型的AFPMSM的温度分布的分析和实验研究，缺乏特别是在最近的文献。在AFPMSM的情况下，由于外径随着输出功率的增加而增加得相当缓慢，因此现有的散热能力可能不足以应付在*通讯作者：埃及吉萨电子研究所电力电子和能源转换系联系电话：+20 201223094893。电子邮件地址：amir2010@gmail.com（A. Yassin）。电子研究所（ERI）负责同行评审http://dx.doi.org/10.1016/j.jesit.2015.03.0032314-7172/© 2015电子研究所（ERI）。Elsevier B. V.制作和托管这是CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。J. Shazly等人/电气系统与信息技术学报2（2015）1819一定的额定功率，使得必须实施更有效的冷却手段。因此，对具有截然不同拓扑结构的AFPMSM的散热潜力的定量研究是重要的（Gieras等人， 2008年）。综述了永磁同步电动机热特性分析的各种方法。2. 轴向加工的电机的历史表明，轴向磁通几何形状并不是新的。在蒸汽机和燃烧机发明后，法拉第于1831年建造了第一台圆盘发电机，该装置被认为是历史上第一台发电特斯拉还在1889年申请了一个使用轴向磁通原理的机器的专利。图图1和图2分别示出了法拉第在1831年建造的第一个轴向磁通机器和特斯拉在1889年建造的具有圆盘转子的电磁机器（Chen和Pillay，2005; Patterson等人，2009; Atherton，1984）。径向磁通电机是后来发明的，并于1937年由Davenport首先获得专利（Chan，1987; Challa，2006; Parviainen，2005）。从那时起，径向磁通电机已经过度主导了电机市场（Challa，2006; Parviainen，2005）。在此之后，轴向磁通电机被取代，几乎被遗忘，由于其成本高，在安排机械结构的制造困难。 这主要是因为在相对大的盘形机器中精确地保持必要的小的气隙（Patterson等人，2009年）。尽管如此，由于特殊应用的几何限制以及新材料和制造技术，近年来对轴向磁通电机的兴趣有所增加。轴向磁通电机可以获得非常整齐的轴向长度，这使得轴向磁通电机在电机的轴向长度是限制设计参数的应用中非常有吸引力（Challa，2006;Parviainen，2005）。第一项集中在PM磁盘机上的工作是在20世纪70年代末和80年代初进行的（Chan，1987;Campbell，1974，1981;Campbell等人，1981;Henneberger等人，1986;Weh，1980;Weh等人，1984;Leung和Chan，1980;Kliman，1983）。在过去的十年中，特别是在20世纪90年代，盘式轴向磁通永磁（AFPM）机器已经发现了越来越多的兴趣，并且已经越来越多地用于海军和家用应用中，作为传统径向磁通机器的替代品（Spooner和Chalmers，1992;Kliman，1983;Hanitsch和Park，1990; Blenkinsop等人，1980; Stiebler和Okla，1992; Jensen等人，1992; Dostal等人，1993; Chalmers等人，1997，1999; Soderlund等人，1997; Ficheux等人，2001; Wu等人，1995; Wallace等人，1997; Lombard和Kamper，1999;Caricchi等人，1998;Aydin等人，2001年，2004年）。Fig. 1.法拉第制造的圆盘发电机20J. Shazly等人/电气系统与信息技术学报2（2015）18图二.特斯拉制造的带有圆盘转子的电磁机器3. 优缺点AFPSM今天是许多应用中的重要技术，其中它们提供径向通量永磁电机的替代方案（Mahmoudi等人，2011年）。近年来，AFPMSM被用于各种应用中（Acarlane等人，1996年）。AFPMSM具有优于常规电机的许多优点，包括它们可以被设计为（使用永磁体）具有更高的功率重量比，从而导致更少的芯材料和更高的效率，它们具有更大的直径长度比;它们具有平面的且容易调节的气隙，并且它们的磁路拓扑结构可以容易地变化，使得可以设计许多不同类型的轴向场电机（Aydin等人，2004;Rizk和Nagrial，1998;Huang等人，2000，2001;Cavagnino等人，2002;Al-Badi等人，2000年;Sitapati和Krishnan，2001年）。由于AFPM电机具有相对较大的气隙体积，并且通常具有多个气隙，因此一般认为AFPMSM比径向场电机具有更好的通风能力（Chan，1982;Gieras和Wing，2002）。在电动汽车等空间有限的应用中，AFPMSMAFPMSM具有薄磁体，因此尺寸比径向磁通对应物小，并且具有盘形转子和定子结构。它们产生的噪音和振动小于传统机器（Mahmoudi等人， 2011年）。 这些优点使AFPMSM在各种应用中具有优于传统电机的优点（Wang等人，2005; Rizk和Nagrial，1998; Huang等人，2000年）。 主要缺点是制造成本相对较高。此外，对于大的有效气隙，绕组电感小，这限制了恒定的功率-速度范围（Xu等人， 2009年）。4. AFPMSM拓扑结构及应用轴向磁通电机具有广泛的拓扑结构，并涵盖各种结构（Funda，2001），这取决于各种转子和定子配置，其中它们可以设计为双面或单面电机，有或没有电枢槽，内部或外部转子，表面安装或内部类型的永磁体。低功率AFPM机器通常是无槽绕组和表面安装永磁体的机器（Challa，2006年）。 这些不同的选项可以适合多种应用。奇门托和拉西蒂J. Shazly等人/电气系统与信息技术学报2（2015）1821研究轴向磁通电机的不同拓扑结构（Chimento和Raciti，2004年）。AFPMSM的类型是单转子单定子、双转子单定子、单转子双定子和多转子多定子（Mahmoudi等人， 2011年）。AFPM电动机由于其磁性和几何形状的优点而具有许多应用，这与传统的PM电动机相反（Chan，1987;Javadi和Mirsalim，2008; Di German等人，2011; Woolmer和McCulloch，2006; Mahmoudi等人， 2013年）。它们可以设计成具有高扭矩重量比、功率密度和低惯性矩。这些电动机可以设计成具有大量的极用于各种低速应用（Cavagnino等人，2002年; Di German等人，2011; Bojoi等人， 2010年）。轴向磁通电机可以获得非常整齐的轴向长度，这使得轴向磁通电机在电机轴向长度是限制设计参数的应用中非常有吸引力（Challa，2006）。这样的应用例如是电动车辆车轮马达和电梯马达（Challa，2006;Jensen等人，1992;Lovatt等人，1998;Mueller等人，2005年）。轴向磁通电机通常用于集成高扭矩应用（Challa，2006）。一些另外的应用是风力涡轮发电机（Chalmers等人，1999;Wu等人，1995），船舶推进（Caricchi等人，1999）、电动踏板车驱动器、由燃气涡轮机驱动的高速发电机和可调速泵驱动器（Al-Badi等人，2000年）。5. AFPMSM的热模型电动机在负载下的温度升高在许多应用中会引起问题。电动机的热处理是重要的，因为电绝缘具有温度限制，并且还因为电动机的温度影响其效率（Nordlund等人，2005; Fakhfakh等人， 2008年）。 在电机运行期间，一部分能量作为热量损失。电机代表非常复杂的结构，因此是非常复杂的热系统，具有不同的材料和分布式热（损失）源。为了确保机器的长使用寿命，必须尽可能地从机器中消除这些损失。通常提供冷却以增加机器的操作范围，而不超过诸如绝缘体或磁体的为了保护绝缘层和轴承，并防止周围环境过热，不希望温度过高如果机器放置在其他温度敏感设备附近，应特别防止周围环境发热 除了考虑机器的使用寿命之外，较低的工作温度还减少了由电阻的温度系数引入的额外绕组损耗（Funda，2001;Gieras等人， 2008年）。安全操作条件和过载能力对温升的依赖性使得对任何电机的热行为的先验估计成为非常重要的问题。机器中使用的材料（如永磁体、绕组绝缘体和用于连接磁体的胶水）的温度耐受性 另一方面，绕组电阻的温度相关特性以及由此产生的损耗，以及温度相关的永磁体通量使得机器的性能分析与热相关（Funda，2001）。存在各种技术来分析电机的热行为，这些技术是实验、集总参数热模型（LPM）、有限差分和有限元（Cannistra和Labini，1991; Cannistra等人， 1993年），或替代的数值技术，如计算流体动力学（CFD）（Staton和So，1998年）。实验方法适用于评估设计和制造的机器中冷却策略的精确度（Di-German等人，2008; Marignetti等人，2008; Sahin和Vandenput，2003; Scowby等人，2004; Sugimoto等人， 2007年）。目前市场上有许多通用的先进CFD程序，如FLUENT，可用于电机热状态的二维或三维建模。这样的包具有扩展的能力来分析具有任意几何形状的物理系统中的热量和质量传递过程（Lim等人，2008年）。还有许多模拟程序可以执行有限元分析，如ANSYS（Amir，2014）。然而，由于2D横截面简化而导致的计算时间和精度损失使得这些方法不受欢迎。因此，LPM被更多地使用（Funda，2001年）。CFD建模通常需要高性能的多处理器计算机和相当长的计算时间来获得精确的数值解，这使得难以使用先进的CFD技术进行快速设计和优化。电机热状态的CFD建模的替代方案是应用先进的LPM技术（Lim等人，2008;Mellor等人，1991年）。22J. Shazly等人/电气系统与信息技术学报2（2015）18集总电路分析通过类似于电路的热网络来描述热问题（Parviainen，2005;Sahin和Vandenput，2003）。稳态下的热网络包括连接在电动机部件节点之间的热阻和热源。对于瞬态分析，热电容也用于考虑身体内部能量随时间的变化（Mahmoudi等人，2011年）。LPM的工作原理是将电机分成多个集总组件，这些组件在计算方案中通过热阻抗相互连接，并将它们表示为热回路。通过考虑这些等效热回路，可以获得AFPMSM部件的稳态和瞬态温度以及局部空气温度（Lim等人， 2008年）。LPM方法的特点是，它的结果总是表现出良好的协议与实验和计算流体动力学数据，而且在LPM方法中，它可以使用相应的热阻在一个无量纲的形式，因此，所获得的结果可以缩放到一个广泛的物理尺寸。LPM方法的缺点之一是作者忽略了机器的固体部件和相邻气流之间的分布式能量通量（Lim等人，2008;Mellor等人，1991年）。数值方法需要计算在各个区域产生的不同操作损耗，并在热分析中形成热源（Mahmoudi等人， 2011年）。在第一篇论文中，我们研究了所提出的热模型是一个集总电路模型，它是为了模拟在不同的负载的机器的温度本文对轴向磁通定子的热行为和冷却系统效率进行了建模和研究。对于时间依赖性和稳态温度，已经证明测量值和模拟值的良好一致性（Erik等人，2005年）。Scowby等人（2004年）还提出了一个详细的集总参数热模型，用于预测AFPM机器各部件的瞬态和稳态温升。在Parviainen（2005）中，机器的热分析是基于热阻网络的。该计算模型仅用于稳态分析，因此在热模型中省略了热电容提出了一种简化的气冷结构热阻网络本文对一种单转子双定子结构的高速轴向磁通永磁电机进行了热该机器设计用于带水冷的飞轮应用。在这项研究中，作者认为内部强制空气冷却。此外，为了改善冷却的目的，已经研究了热管布置Parviainen等人对一个转子-两个定子结构的轴向磁通电机的水冷和风冷进行了研究。（2004年）。用20个Pt-100温度传感器进行温度测量。对于热建模，根据在额定5kW负载下对于使用相同值的其他功率范围，获得了与计算效率和温升的良好对应关系必须注意的是，热阻的值根据测量结果进行了调整（Parviainen，2005）。另一篇论文介绍了电动汽车牵引应用的AFPMSM的热分析，所使用的热设计技术是分析集总电路。该模型还采用了两种冷却系统，即空气冷却和水冷却。结果表明，水冷是冷却电机的更好解决方案（Fakhfakh等人， 2008年）。Camilleri et al. （2012）基于LPM方法。本文对轴向磁通内转子（AFIR）和轴向磁通内定子（AFIS）电机的热限制进行了初步它研究了风冷轴向磁通电机在应用于城市交通环境时的热限制，并开发了一种理论，表明当这种机器用作轮内电机时，它们会受到热限制。所示两种几何形状的LPM不同，因为机器的热阻取决于机器的几何形状本文介绍了AFIR型和AFIS型机器的热阻网络 它还定义了电机中每个区域的传热系数（Camilleri等人， 2012年）。Lim等人（2008年）提出LPM作为AFPM机器热建模的CFD模拟的替代方案。该机器是一个无槽环面机与三个极对。冷却是通过由PM产生的气隙中的离心气流来实现的作者获得LPM从一个简化的轴对称模型的机器，他们提出的结果从集中参数热建模的轴向磁通永磁发电机的基础上的应用程序的2D等效热电路。CFD轴对称模型的建立和模拟提供的对流换热系数和质量流率的局部值的LPM两个案例研究已经进行了验证的二维等效热路模型的准确性与CFD结果进行比较结果显示两种模拟方法之间的良好一致性（Lim等人，2008年）。Marignetti等人（2008）通过三维热-磁有限元分析研究了AFPMSM的热行为，并将电机部件的模拟表面温升与实验结果进行了比较，以验证模型的正确性J. Shazly等人/电气系统与信息技术学报2（2015）1823数据已经使用软件包Comsol Multiphysics来执行所有模拟，因为其专门针对耦合FEM分析（Marignetti等人，2008年）。 提出了等效热网络。AFPMSM是单定子单转子型，额定功率为2.2 kW，是用于风力涡轮机应用的小型样机该机器是空气冷却的，并且为了通过强制对流气流来缓解散热，定子中的通道系统耦合到风扇叶片形磁体，从而从芯的后部产生合适的气流，该气流从气隙离心地排出对定子进行了三维静态电磁场有限元分析，计算了定子的铁耗对该电机进行了三维热-流耦合分析原型上的实验结果表明，预测的定子和绕组温度很好地一致，但转子温度不一致（Marignetti等人， 2008年）。 Marignetti和Colli（2009）通过三维有限元分析、热通量图和不同转子位置下的热梯度，对AFPM电机的热特性进行了详尽的研究，并开发了一个程序来模拟AFPM电机的稳态和瞬态热特性。Funda（2001）提出了双定子单转子AFPMSM的瞬态热路模型，该模型被称为轴向磁通补偿转子（AFIR）电机，其构造为带飞轮的开槽定子结构，用于电动汽车。作者提到，他使用的热电路模型，因为这种方法是声称给非常令人满意的结果，即使是简化的形式。作者假定整个模型在两个热流方向上是对称的，因而对四分之一热模型进行了分析利用计算得到的热参数建立了热等效电路，并利用ICAPS/PSpice软件对电路进行分析，计算出零件的温度值在整个机器的热参数的计算中，使用了制造的机器原型的相关材料特性和尺寸信息。模拟结果，并讨论了几个关键的机器操作条件。在制造过程中，几个热电偶被放置在原型机器的各个部分一个热芯片也连接到磁铁和电缆连接通过滑环，以准确地测量其温度还记录了不同操作条件下的测量值（Funda，2001年）。最后，Amir（2014）还介绍了Funda（2001）中建模的相同AFPMSM的原始热模型，并使用有限元技术求解三维热传导方程，以获得通过AFPMSM的任何指定位置处的稳态温度分布，来实现通过AFPMSM的热传递和AFPMSM内部的温度分布。尽管AFPMSM结构存在困难使用ANSYS 13有限元分析程序（其是用于热传递问题的基于通用有限元方法的软件包）来验证热模型，并且从热分析获得结果（节点温度）由于对称性，使用1/16的3D模型来简化分析并减少模拟时间。通过将预测的温度结果与Funda（2001）中报道的测量值和先前热阻模型的计算温度值进行比较，验证了计算结果的准确性，这表明所开发的有限元模型可以以合理的精度进行热分析模拟进行了几种情况下，节点温度从热分析获得的许多不同的情况下，在不同的运行条件下的负载，电机转速，冷却系统和环境温度和模拟结果提出。稳态热传导方程的三维有限元解在本研究中，用于评估温度分布的分析方法似乎与实际测量结果相当吻合。 3D有限元模型比热阻模型具有重要的优势，即通过模型监测热量分布，指示模型中任何点的温度值，使传热分析更容易（Amir，2014）。6. 结论本文综述了近十年来国内外在永磁同步电动机热分析方面的研究进展，并对分析永磁同步电动机热行为的各种方法进行了介绍了AFPM机床的发展历史然后，本文讨论了电动机热建模中使用的技术，最后，提供了一个完整的参考文献列表24J. 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