文摘
高可靠性要求的永磁无刷直流电机(PM-BLDCM)电子泵的高超音速飞行器。PM-BLDCM是短时工作制和高功率密度电动机。由于热平衡PM-BLDCM没有达到,温度分布不均匀,局部过热的风险。绕组是主要热源及其绝缘热敏感,所以减少绕组温升是提高可靠性的关键。为了减少绕组温升,electromagnetic-thermal综合设计提出了优化方法。该方法是基于电磁分析和瞬态热分析。电磁及热设计的需求和限制被认为是在这个方法中。分流比和最大磁通密度在定子叠片,这是高度相关的绕组温升,进行了优化分析。分析结果验证了有限元分析(FEA)和实验。分析和有限元分析结果之间的最大误差为4%。 The errors between the analytical and measured windings temperature rise are less than 8%. It can be proved that the method can obtain the optimal design accurately to reduce the winding temperature rise.
1。介绍
有许多类型的永磁无刷直流电机(PM-BLDCM)高超音速飞行器的引擎来实现快速、灵活、精确的推力控制(1- - - - - -5]。这些PM-BLDCMs有不同的加载配置文件,可以分类的标准IEC 60034 - 1:2010十种任务类型:S1 S10 (6]。短时工作制(S2) PM-BLDCM超音速汽车可用于泵、致动器、粉丝,等等。可靠性和能量密度的基本要求是高超音速飞行器PM-BLDCM [7- - - - - -9]。热平衡为短时工作制PM-BLDCM没有达到,所以有局部过热的风险10,11]。过热可能导致损坏的组件对温度敏感,尤其是,绕组绝缘。随着温度升高,绕组绝缘寿命严重减少了热老化降解的效果(12- - - - - -14]。短时工作制的可靠性PM-BLDCM直接受到绕组温升的影响。因此,减少绕组温升的关键是提高PM-BLDCM的可靠性15]。
电磁和热设计需要关心PM-BLDCM。电磁耦合和热设计参数。electromagnetic-thermal集成设计需要采用减少绕组温升。有不同类型的electromagnetic-thermal集成设计方法提出了文献。然而,这些方法可以分为两大类:数值方法和分析方法12,15- - - - - -21]。这两种方法都有自己的优点和缺点。也有一些方法,结合这两种方法(16,17]。数值方法,基于有限元分析(FEA)和计算流体动力学(CFD),可以直观地得到准确的结果。然而,数值方法有高需求的模型建立和计算时间19,20.]。分析方法,基于电磁和热参数模型,提供了一种快速、准确的解决方案electromagnetic-thermal综合设计优化(20.,21]。在前面的出版物,electromagnetic-thermal集成优化设计是基于热稳定状态。然而,绕组温度直接影响热为短时工作制PM-BLDCM瞬变。因此,在本文中,一个分析electromagnetic-thermal集成优化设计方法,研究了基于热瞬变,短时工作制PM-BLDCM。
一些主要设计参数是高度相关的电磁和热性能,如定子外径定子内径,运动活跃的轴向长度(16- - - - - -21]。绕组温升可以减少了优化参数。在一些现有的论文,有太多的相关变量和优化复杂(15,19- - - - - -21]。根据电机设计理论,主要设计参数是由电力负荷和磁负荷,它可以转化为最大磁通密度在定子叠片定子内径,铜损(22]。当两个的,,决心,PM-BLDCM的尺寸。对于低速PM-BLDCM,铜损是唯一的主要损失,所以和通常选择优化(23- - - - - -28]。的高功率密度PM-BLDCM高速,和适合的优化。为了使数据相比,通常表示为分流比,定子内径的比值是哪一个的外径。摘要电磁和热参数转换为分流比的功能。只涉及两个变量,所以可以高度简化的优化。
分流比是一个重要的设计参数,因为它有一个显著的影响温度升高,扭矩,损失,效率,成本(23- - - - - -27]。有很多调查方法的优化分流比在一些现有的文件。不同分流比的优化方法对电兴奋的汽车,汽车表面安装点,汽车内部点,提出了外部转子点汽车等等(23- - - - - -25]。这些方法都是针对低速电机和热限制是通过限制了铜损。在[26),唐等人表明,分流比有显著影响的温度上升PM-BLDCM短时的责任。在[27),Reichert等人表明,当地的热情况应考虑,尤其是对定子绕组,这是一个主要的热源;分析低速PM-BLDCM分流比的优化方法是开发与全球和地方热的局限性。在[23- - - - - -27],这些PM-BLDCMs的分流比进行了优化,其损失是由铜损失,而其他的损失可以忽略不计。速度对最优分割比率(有重大影响28]。的高功率密度PM-BLDCM本文铁损失,转子涡流损耗,转子空气摩擦损失和机械摩擦损失应考虑在设计优化。
摘要electromagnetic-thermal集成设计优化方法提出了减少绕组温升的短时工作制PM-BLDCM。分析设计模型和电磁转矩方程给出了部分2。损失计算部分3。热瞬态分析和优化设计提出了测定方法4。最后,分析优化结果验证了有限元分析和实验。
2。电磁转矩计算
PM-BLDCM意在设计中使用电子泵的高超音速飞行器。高可靠性和高功率密度是必需的。PM-BLDCM运营一段时间的飞行。一些约束PM-BLDCM给出如下:(1)所需的电机能够满载300年代每循环运作。加载配置文件如图1。(2)满载条件下的转速和扭矩10000 r / min和1.6 N·m,分别。(3)电机的外径和长度是有限的。(4)操作高度为20公里。(5)自然冷却的电机冷却。(6)的最大环境温度为80°C。
PM-BLDCM的操作时间远小于断开和休息的时间。有足够的时间重新建立电动机温度在2°C的冷却液温度6]。因此,PM-BLDCM短时工作制电动机。
空气密度在20公里的高度是0.0889公斤/ m30公里,也就是1/14。在高海拔地区,由于空气稀薄,对流冷却能力降低。
PM-BLDCM原型的一些设计,如120°电导,内转子,表面安装磁铁,气隙宽度、槽数,波兰人,外定子直径和轴向长度、设计优化之前之前。一些需求和设计参数如表所示1。
的配置和主要几何参数PM-BLDCM图所示2,在那里定子齿宽;是定子铁宽度;齿尖的高度;和外径和内径的定子铁芯,分别;是定子槽区。
给出了分流比
定子齿宽和定子铁宽度可以表示为 在哪里气隙磁通密度,这几乎是一个常数表面安装点(24];问定子槽数;p是两极的数字。
根据几何关系的表达式和,槽区域可以获得 在哪里F(λ,)的函数λ和,显示为 在哪里ε的比例是2和:
给出了导体的横截面积 在哪里槽填充因数;是把每个阶段的数量。
作为一个导体的反电动势 在哪里转子的角速度;是活跃的电机轴向长度。
相反电动势可以获得 在哪里是绕组的因素。
给出了电磁转矩 在哪里是绕组电流。
3所示。损失的计算
损失导致增加电动机的热源温度。损失的高功率密度PM-BLDCM主要包括铜损、铁损,转子涡流损耗,转子机械摩擦损失和空气摩擦损失(29日]。
3.1。铜损
当PM-BLDCM绕组温度环境温度绕组温升是0,可以表示为铜损 在哪里在环境温度是铜的电阻率吗;绕组相阻力;端绕组的平均长度,给出 在哪里绕组节距。
3.2。缺铁
给出了定子叠片的铁损失 在哪里是铁的损失每单位质量(公斤);的质量是定子铁;定子齿的质量。
分为滞后损失组件吗,经典的涡流损耗组件组件,多余的涡流损失,可以表示为(30.] 在哪里和α是常数滞后损失;是经典的涡流损耗不变;是多余的涡流损失常数;是频率。
基于分析设计模型,表达式的和可以获得的 在哪里定子叠片材料的密度。
3.3。转子涡流损耗
在永磁体涡流损耗,套筒,转子轭是由空间MMF MMF谐波谐波和时间。涡流损耗主要位于永久磁铁和套筒和转子轭的损失可以忽略(31日]。可以计算转子涡流损耗(32] 在哪里是套筒或磁铁的外径;是套筒或磁铁的内径;是磁铁的磁极弧,值吗π/p套筒;ρ是套筒或磁铁的导电性;是电流密度的套筒或磁铁。
3.4。机械摩擦损失
机械摩擦损失是由于轴承的运行及其表达式可以表示为(33] 在哪里系数取决于类型和轴承的润滑;运动粘度的润滑油;是轴承的平均直径;系数取决于轴承的类型和负载;是轴承的动载荷;一个和是系数取决于轴承的类型和负载。
3.5。转子空气摩擦损失
转子的空气摩擦损失是由转子和空气之间的摩擦。根据(34),可获得转子的空气摩擦损失 在哪里转子表面粗糙度系数,其值为1的光滑转子表面;空气密度;是空气摩擦系数,它可以表示为 与库爱特雷诺数 在哪里δ气隙宽度。
转子的空气摩擦损失与转子的半径密切相关,它可以表示为的函数λ:r=。
4所示。确定最优设计
各种组件的PM-BLDCM,绕组和永磁体的主要热源是及其可靠性对温度很敏感。为了增加PM-BLDCM的可靠性,采用高温材料除了降低电机温度。搪瓷绝缘电线打算采用的品位QY-2/220和它的最高工作温度为220°C。永磁材料旨在采用Sm2有限公司17,它的品位XGS239/199/350。永久磁铁的最高工作温度为350°C。磁铁的耐温性能力是高于绕组。此外,绕组的生命随温度的升高而减小。为了提高PM-BLDCM的可靠性,绕组温度需要减少。
气隙热阻比其他大热在定子电阻。此外,气隙热阻随空气密度减少。因此,转子绕组温度温度的影响可以忽略在高海拔。绕组温升主要是由铜和铁损。绕组温升可以计算由以下方程: 在哪里PM-BLDCM的传热系数;一个PM-BLDCM冷却面积;是绕组和定子铁芯之间的热阻。
PM-BLDCM的传热系数的总和是自然对流和辐射传热系数。自然对流传热系数随高度增加而减小。为了提高冷却能力的PM-BLDCM在高海拔,辐射传热系数提出的需要增加电机表面的发射率。
电磁转矩之和阻力扭矩和输出扭矩。电磁转矩可以表示为 在哪里是输出转矩;转子涡流损耗之和,转子空气摩擦损失、机械摩擦损失,并表示为 根据(14)- (21),可以转换的函数λ和。
结合(12)和(23在环境温度),铜损可以获得的 铜损耗随温度的升高。当绕组温升,给出了铜损 在哪里是铜的电阻率温度系数。
圈是瞬态温度变化 在哪里是时间和热时间常数。自在0 - 300年代,绕组和定子铁芯之间的温差是微不足道的。它可以假设定子的所有部分有相同的温度。因此,可以获得的 在哪里定子的平均比热容;定子的质量。
的比例不同的损失总计损失和热时间常数可以通过调整改变和。换句话说,热源,温度上升的速率可以通过调整改变和。的变化与和当t= 300年代如图3。可以看出可以减少优化和。有一个最佳的组合λ和以获得最低温度上升。最优组合可以通过求解方程获得集团:
使用(30.),最优和摘要PM-BLDCM计算的0.44和2.02 T。然而,2.02 T很难实现定子叠片钢铁材料DW310-35。图3显示,应该接近2.02吨减少温度上升。考虑到磁饱和点薄板钢的原型,1.7 T选择和相应的最优是0.43。
另一方面,应该注意的是,最优随速度增加,和的值可能不到一些高速PM-BLDCM饱和点。在这种情况下,最优的实际价值和应该选择。
5。有限元分析和实验验证
分析结果验证了有限元分析和实验。验证的目的是证明分析的优化设计是准确的和优化方法可以最小化绕组温升。
在有限元分析验证,空气密度在海拔20公里和80°C的环境温度。不同的设计,其中包括优化设计,选择模拟。如图4与的不同组合,几个电机设计和选择的轮廓。电机设计的C1, C2, C3, C4设计采用0.43的λ的四个具体的1.1吨,1.3吨、1.5吨和1.7吨,分别。的电动机设计R1、R2、R3、R4、和R5的设计采用1.7 T为五个特定λ0.25、0.35、0.43、0.55和0.65,分别。在这些设计中,C4 (R3)的优化设计分析预测。由于C4和R3是相同的设计,有八个设计有限元分析验证。
分析和有限元分析预测绕组温度上升的不同设计如表所示2。有限元分析结果与分析结果数据5和6。最大误差,误差最小,平均误差分析结果与有限元分析结果是4.0%,1.0%,2.3%。有限元分析结果与分析结果吻合较好。设计的绕组温升C4 (R3)被证明是最小的。三维温度场的C4 (R3)设计t= 300年代如图7。
如图8(一个)根据设计,PM-BLDCM原型制造C4 (R3)。原型是由一个脉冲宽度调制(PWM)逆变器。原型及其控制器集成保存空间。原型是漆成黑色的表面增加辐射率。由于没有设备来模拟环境在20公里的高度,原型测试地面温度和大气压力正常,19°C和100.8 kPa。在图所示的实验平台8 (b)。原型是300年代的总运行时间。在原型机的运行状态,负载转矩和速度保持1.6 N·m和10000 rpm,分别。测功器加载扭矩调整(Magtrol)。速度控制通过调整电压的直流电源,而同样的PWM占空比是100%。
(一)
(b)
是绕组温升的测量电阻的方法(6]。电阻的值被LCR测试仪测量(日本日置3522 - 50)。为了测量绕组的线电阻,原型是停了大约40年代100年代后运行状态。如图9,有三个阻力值,,测量了40年代nonrunning状态。三个计量点MP1, MP2,和MP3。在原型运行之前,线路电阻的值测量的时候。
使用这些测量电阻,计算绕组温度上升由以下方程: 在哪里代表,,;代表,,在MP1,绕组温升,MP2,分别和MP3。
测量绕组温度上升,加上分析和有限元分析绕组温升,给出了表3和图10。之间的误差测量和分析绕组温度上升点MP1, MP2,和MP3是5.8%,3.0%,和7.8%,分别。分析结果与实验结果同意。测量和有限元分析结果之间的误差在点MP1, MP2,和MP3是10.5%,1.6%,和2.7%,分别。有限元分析的准确性仿真也验证了实验。结合有限元分析验证表2,它可以证明,最优设计获得准确减少绕组温升。
6。结论
为了提高可靠性的高超音速飞行器的短时PM-BLDCM electromagnetic-thermal集成设计提出了优化方法。这种方法能满足的需求和限制热量和电磁设计方面。该方法是基于电磁分析和瞬态热分析。电磁及热设计参数表示为的函数比和分裂。优化设计后确定最优分割率和得到了。因为只有两个变量参与优化,优化的分析计算高度简化。优化设计和绕组温升有限元分析和实验验证。它可以证明,最优设计获得准确和最低绕组温升。优化方法提供了一个快速、准确的解决方案electromagnetic-thermal短时工作制PM-BLDCM的综合设计。
相互竞争的利益
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51507143),专门研究中国高等教育的博士项目基金(批准号20136102120055),陕西省科技工业研究基金会,中国(批准号2015 gy090)。