1、 中国科学技术大学硕士学位论文电动车用永磁无刷直流电机温度场分析与计算姓名：葛宜舟申请学位级别：硕士专业：机械电子指导教师：王硕桂20080601讨 论了转子 和 气 隙 对电 机温 度场计 算结 果 的 影 响 。 擞 玫刃 韧 绶 匝 蛭 露瘸 蟹 治 鰅采 用 手 工 划 分 网 格 ， 绘制 熟网 络图 ， 使 参 数 集中于 节点上， 列出 节点的 熟平衡方程 ， 将方程 联 立， 求 解方程 组 ， 得 到了各 个 节点的 温 度值 。 与有 限 元方法相 比 ， 计 算的 精度较 差， 但 可以手 工 计 算 ， 计 算 结 果 表 明 ， 等 效 热网 络法可以作 为电 机设
2、计 时 的 预 算 温 度的 方法， 进 而 缩短 设 计 周期 。关 键词：永磁 无 刷 直流 电 机温 度场有 限 元定 子 等 效 热网 络法 甌 襥 瓸 本 人声明所 呈 交的 学 位论 文 ，是 本 人在导 师 指 导 下进 行研 究 工 作所取 得的 成 果。 除己 特别 加 以 标 注 和 致谢 的 地方 外 ，论 文 中不 包 含 任何 他 人已 经发表或撰写 过 的 研 究 成 果。 与 我一 同 工作的 同 志对本 研 究所做 的 贡 献 均己 在论 文 中作了明确的 说明。本 人授权 中国科 学 技 术大学 拥 有学 位论 文 的 部 分 使 用 权 ，即 ：学校有权 按
3、有关 规 定 向国家 有关 部 门 或机 构 送 交论 文 的 复印 件和 电 子版 ，允 许 论文 被查 阅和 借 阅，可 以 将 学 位论文 编入 有关 数 据 库 进 行检索 ，可 以 采 用 影印 、 缩 印 或扫描 等复制 手 段 保 存、 汇 编学 位论 文 。保 密 的 学 位论 文 在解 密 后也遵 守此规 定 。位 置 传 感 器无 刷直 流 电机 的 起动 转 矩 低 ， 因 而增 加 了 系统控 制的 难 度 ， 使 控 制器复 杂 ， 增 加 成 本。另外 ， 电 动 车 用 永 磁 无 刷 直 流电 机中所 用 的 钕 铁硼 磁 铁具有 温 度 不 稳 定性，在温 度
4、 过高 的 情 况 下 发 生 退磁 现 象 ， 所 以对 电 机的 温 度 场 计算 ， 尤 其 是 精 确 计算气隙 的 温 度 ， 对 研究 永 磁 体 的 工作环境温 度 有 重 要的 参 考 价值 。有 限元 法 是 一 种 常 用 的 数 值 计算 方 法 。 它是 把 求 解域剖 分成有 限个 单元 ， 组成离散化 模 型 ， 再 求 出数 值 解答 。 它的 主要优 点 是 ：剖 分灵 活 ， 对 于复 杂的 几何形 状 、 边界条件、 不 均 匀 的 材料 特 性、 场 梯度 变化 较 大的 场 合， 都 能灵 活 地 加 以考 虑 ， 通 用 性强 。 所 以用 有 限元
5、求 解温 度 场 ， 可 以准确描 述 整个 求 解域内 温 度 的分布。 总体 来 看 ， 由 于有 限元 法 以节 点 温 度 为 变量 ， 其 剖 分单元 数 比 较 多， 边界和 界面 问题 复 杂， 但 能实 现 对 电 机这种 复 杂的 温 度 场 进 行全 面 地 求 解。 该 方 法 能详 细 计算 出电 机中温 度 的 分布情 况 ， 因 此被 广泛 应 用 于电 机的 设计计算 中口。 等 效热网络法 物 理概念 简 单、 直 观， 而且非常 适用 于结构 复 杂、 材料 多样 和引言温 度场 是指 各 个 时刻物 体 中 各 点 温 度分 布 的 总 称 ， 它是空 间
6、坐 标 和 时间 的一 一 五娑 嚣一鲫式中 ：五，勺 ，屯 一 雤 方 向上 的 导 热系数 。 此 外，如 果 物体 内部也发 热 ，并 且均匀 分布，单 位 体 积发 热 率为 吼时 ，则 微 元 体窘琷万 划 稳 态导热 方 程建 立了 物体 的温 度 与 空 间 的一 般 关 系。 对 于该 方 程，可 以 求 出其通 解 ，但是 对 于电 机 温 度 场 理 论分析 仅 有 通 解 是 不能 满 足 工程要 求 的，只 有 依据 其可 能 存在 的边界 条件，即 满 足 某 些特 定边界 条件的特 解 。 只 有 求 出 满 足 实际工程边界 条件的特 解 ，才能 对 实际 工程产
7、 生 现 实的指 导意 义。 为 了 确定所需 要 的温 度 场 ，还 必 须 知 道 其边界 条件。机 涞 说 ，其形 状 接 近圆 柱体 ，所以 采用 圆 柱坐 标系能 更 方 便 地计 算 电 机 的温 度 场 ，!猒 猒 ! ! 猒 一 一图圆 柱坐 标 系下的微 元 体川 署 乃 鲁 一 挲，吾 导耍吾 品鹊龋 鲁警 ，冢伊詈当温 度 场为 稳态 时 ， 娶 ： 耸钡奈 露瘸 】刂 品 匠 涛 猲 明：吾 导 海 吾 品 龋妄 褪模 鸟， 解出 导 热微 分方 程 式。 必 须给 定物 体的边界 条 件 。谝 焕 啾呓 缣 跫且 阎 H魏 问 笨 涛 锾 灞 呓 缑娴奈 露 戎 担
8、磏 订条 件 可 写 成 ：在电机 温 度 场的 研究 中， 第 一 、 二、 三 类 条 件 都 存 在， 所以 在圆 柱 坐 标 系 中力问 题的 表 述 。对流 换 热由 两 种 机 理构 成，除了分 子 随机 运 动 引 起 的 能量 交 换 外 ，还有流 体整 体运 动 、 或 者 叫宏 观 运 动 所 引 起 的 能量 交 换 。根 据流 动 特 征 把 对流 换 热进行 分 类，当流 动 是 由 于 某 种外 因 造 成的 ，诸如风扇、 泵或 大 气 中的 风引 起 的 ，称 为强 迫 对流 换 热：反之，流 动 是 由 于 流 体内 部的 浮 力 引 起 时 ，则称 作自 由
9、对流匀 欢粤 换 热。热辐射 是 处 于 一 定温 度 下的 物体所 发 射 的 能量 。虽然 主要 把 注 意 力 放 在固 体表 面的 辐射 上，但 液体和气 体也 可 以发 射 能量 。不 管 哪 种形 式的 物体，都是 由 于组 成物体的 原 子 或 分 子 中的 电 子 排 列发 生变 化而 引 起 热辐射 。需要 特 别注 意 的是 ，热传 导 或 对流 方式传 递 能量时 ，都必须有介质 存 在：而 辐射 传 热则不需要 介质。解 ， 但 只 能 对 形状 比较规 则的 物 体 才 能 求出其 解 析 解 ， 对 于形状 和 工 况 复杂的 物体 ， 无 法 求其 准 确解 。
10、随着 计算 机技 术的 发 展 ， 有限 元法 在温度 场 计算 中的 优 势越来 越明 显。 有限 元法 在理 论上以 变 分法 或 迦 辽金加权 余量法 为 基础， 对 场 域的划 分比较灵 活， 对 不规 则边 界 形状 的 处 理 也 很方便 。 此 外， 有限 元法 可有效 处 理非 线性 问 题， 求得 的 结 果 精 确度 高 。有限 单 元法 的 基本 思 想 是 口踟 ：个 基 本 点 。 它包 含 了 坐 标位 置 以 及 具 有物 理 意 义 的 自由 度信息。 ： 单 元 是由 节 点 与 节 点 相 连 接而 成， 是构 成有限元 系 统的 基础 ，一 个 有限元 系
11、 统必须 有至少 一 个 以 上 的 单 元 。 单 元 与 单 元 之间由 各 节 点 相 互连 接。 在具 有不同特性 的 材料 和 不同的 具 体结构 当中 ，可选 用 不同种 类 的 单 元 ，单 元 中 包 含 了 物理 对 象 的 各 种 特性 。单 元 ；所以 铁芯损 耗 和绕组损 耗 是影 响 电机温 度 场的 主 要因素口口钉 。 砟 一 圪负 载 附 加 损 耗 的 计 算 十 分困难 ， 对于 中小 型电机通 常 不 详细计 算 ， 一 般取输 痪橄凳 杂谥 绷鞯缁 琄 。 。只 一 滚 动轴 承的 摩 擦 损 耗 ；对 电机 温 度 场 的影响 主要 是 电机 的铁 耗
12、 和 绕组 电耗 ，机 械 损 耗 的影响 较 小 ，可 以忽略。电动 车 用 永 磁 无 刷 直流电机 定 子温 度 场 分 析所选 用 的永 磁 无 刷 直流电机 是 外 转 子内定 子形 式。 电机 定 子结 构 如 图 所图 电动 车 用 永 磁 无 刷 直流电机 定 子结 构定 子 绕 组 的 等效 模 型 由等效 绝缘 体和 等效 铜 线 组 成， 结 构尺 寸大 小 不 一 ， 采点 一 各导 热体的 厚度；电 机 中 产 生的 热量 主要 是 通过 电 机 与 外 环 境之 间的 对 流 换 热扩 散 到 外 界， 对温 度场 进行 研 究， 就必须尽量 准 确 地 确 定 有
13、 关散 热系数。 影 响 表面散 热系数因 素较多 ， 如密 度、热容、 导 热系数、流 体速度 等， 它们 之 间的 关系 非 常 复杂 ， 难 以确 定 。 因 而 在实际 应 用中 ， 人 们 根 据 长期 积累的 经验 ， 并 结 合试 验 方 法来 确 定 散热 系 数 的 计 算公 式 。吨械 纳 认凳 慷此 时系 数。当、 时， 流 体 属 于 层 流 ， 则肌 。图 电 动 车用 永 磁无 刷直 流 电 机 外部 结构 图 电 动 车用 永 磁无 刷直 流 电 机 外形尺寸额 定 转 矩电 机 温 度 场 分析 中所需 的 材料 参数见 表；表电 机 基 本 参数模型 中边 界条件 有 两类 ： 断 面满 足绝热边 界条件 ， 其 余 的面均为 对 流 边 界条式 中： 徊 牧 厦 芏琧一材 料 比 热骸， 皇 奔，第 二、 三 类 边 界条件 。图 所 示：图 永 磁无 刷直流 电机 温 度场 有 限 元模型 示意 图对 图 的模型 ， 施 加电动 车在 不 同 的载荷和速 度下 的生 热率和边 界条件 ，得 出各 种 工 况 下 定子 的温 度场 分布 ， 分析载荷、 转速 变化 对 电机 定子 温 度场 的影
