高速电机损耗分析及温度场计算
2017第十二届中国电工装备创新与发展论坛
会议由中国电工技术学会主办，定于2017年8月19-21日在北京铁道大厦召开，本届大会主题为“电网技术创新与电能新业态”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
北京化工大学机电工程学院、湖南科技大学机电工程学院的研究人员张宸菥、陈立芳、王维民、宾光富，在2017年第5期《电气技术》杂志上撰文指出，高速电机的损耗密度大，散热困难，绕组绝缘易过热而发生寿命减短甚至失效的问题，因此准确地计算异步电机各个损耗以及准确预测电机温度场变得尤为重要。
本文以一台额定转速为40000r/min的高速异步电机为例，进行了高速异步电机损耗的全面分析，基于磁-热单向耦合的有限元方法对高速异步电机的整体温度场进行了准确计算，并与实验结果进行比较，研究表明：高速异步电机的转子铁耗可以忽略，高速异步电机在运行超过某一转速后，电机温升呈指数规律增加，需要对电机温升进行监测，同时，磁-热耦合的方法具有一定的准确性。
在工业应用领域，迫切需要提高电机的转速以满足不同的工业需求。电机在高速运转下，其电磁和机械损耗比普通转速大得多，高损耗引起的温升对绝缘材料性能、电机的效率和寿命有重要影响。因此在高速异步电机的研制过程中，对损耗的分析和温度场的计算意义重大[1-2]。
高速电机损耗的准确计算是获得准确温度场分布的前提。目前高速电机电磁损耗的精确计算还没有通用的计算模型，但国内外学者在这方面也开展了大量的研究。其中Steinmetz[3]提出铁耗计算经验公式，Bertotti[4]提出经典铁耗分离模型，Bo He [5]等人进行了基于T-Ω法的涡流有限元计算。
Palgmren提出的考虑了转速、轴承尺寸以及润滑剂影响的轴承损耗计算模型。对于风摩损耗，目前基本停留在以实验依托的摩擦系数计算上。综合目前情况来看，电机损耗的研究缺乏通用的统一的计算模型，同时对于损耗的总体分析还不够全面。
高速电机的温升计算目前大多采用等效热路法或三维有限元法[6-7]。其中等效热路法计算量小，但热阻和散热系数等参数多依赖于假设和相关数据曲线，使得温度场计算结果与实际存在偏差。而三维有限元法中对于电机损耗的计算，大多使用经验公式，与实际也存在一些出入。
本文以一台高速异步电机为研究对象，考虑铁耗随供电频率变化，采用Ansoft-maxwell有限元软件对该电机的电磁损耗、机械损耗进行了更为精确的计算。采用直接耦合的有限元算法对电机的温度场进行了计算，通过在电机内部布置温度测点来直接测试电机关键部位的温升，最后实验验证了电机温度场计算结果的可靠性。
本文提出的温度场直接耦合计算方法可用于进行高速异步电机损耗的精确计算和温度场预测。
图4 电机温度场分布图
结论
通过对高速异步电机损耗的分析和温度场的研究可得到以下结论：
（1）高速电机的电磁损耗在总损耗中占较大比重，准确计算电磁损耗将为电机的散热设计提供重要依据。
（2）高速电机温度随转子速度的增大而增大，可能存在一个温升急剧增加的临界点，当速度超过这一临界点时，电机温升增长迅速，需对电机进行针对性的散热设计。
（3）采用直接耦合的有限元算法计算的电机温度场有较高的准确性。