机车大功率直驱永磁牵引电机新型通风散热结构设计

机车大功率直驱永磁牵引电机新型通风散热结构设计

李显峰

中车大同电力机车有限公司 山西省大同市 037038

摘要：对机车大功率直驱永磁机车电气的通风散热结构展开了分析，提出了一种新型的永磁电气通风散热结构。在强制通风条件之下，对结构的温度场和流体展开了研究，建立了电气的物理学建模，给出了求解域的边界条件，并展开了测定和研究。原型机的测试结论与模拟结果基本一致，为新型通风散热结构的设计和温升的测定获取了依据。

关键词：机车大功率直驱永磁牵引电机；结构；通风散热；流体场；温度场

机车直接油压装置是将油压变频器直接相连到机车轴之上。就机车车体而言，省去了车轮传动，使机车的传动结构更轻、效能更好、噪声更小、修理更方便。直驱电气已逐渐成为线路机车装置之中的流行电气之一。因此，必须根据传动的尺寸来提升直驱机车电气的转矩。随着转矩增大，电气的尺寸和质量将成比率增大。在确保电气效能的条件之下，在极大的维度内造成最大的转矩，使电气的尺寸和质量最大化，提升电气模块的通风散热功能，减少了电气的热负荷。

1永磁直驱电机对通风散热系统的要求

永磁直驱电机永磁直驱电机具备永磁体，对磁性物料（特别是电气运输时造成的合金）有很强的潜力。如果永磁电气的永磁直驱电机部分没确切的隔绝举措，工作自然环境之中附著在永磁直驱电机之上的灰尘会引发定永磁直驱电机间的磨擦，影响电气的安全性运输。因此，永磁电气加热基本上使用全封闭结构。

2永磁直驱电机通风散热型式的确定

原有永磁电气通风散热结构基本上使用全封闭结构，所以无论是发动机还是强制风冷的壳，其加热和散热都在壳的里面，因此无法影响到电机的里面。与通常机车电气的强制通风结构相对，增加了主机板与永磁直驱电机间的导板，使散热空气只通过变压器而不转入永磁直驱电机部分，避免肠胃转入永磁体。中宫变压器是电气最大的热能，其加热功能高于中宫开放式电气。

3直驱电机通风散热结构实现

永磁电气机架使用全叠层结构，中宫铁心内设计有8个内冷风道，中宫槽内设接近永磁直驱电机的内圈。槽内设通风管，中宫与永磁直驱电机间装永磁直驱电机隔离导风板，导风板与中宫端板间用密封圈密封所有永磁直驱电机。散热空气不会转入中宫和永磁直驱电机间的气隙。吸入口设立在基座液压端的上部，排气口设立在非液压端盖的后部。在强制通风条件之下，散热空气从进风口运送到电气之后，电气使用两种方法加热。一种方式是进入机架外壳与中宫铁芯间的风道，然后进入非驱动端的出风口。另一种方式是通过电枢变压器一侧和槽下方风道进入电气，然后进入非驱动端出风口。

4电机参数

电机基本上设计变量见表格1。

表1 电机参数

5有限元分析

使用有限元法对电气的电场展开了值仿真。变流器的千瓦高速如表2所示，根据动力学获得基本上耗损原产。

表2 变频供电状态下电机损耗及分布 W

根据动力学、传热学等社会科学的经验，建立了传热学等社会科学的热计算微积分建模，并对确认各部件导热系数和散热常数的建模展开了修正；透过该操作系统建立了原型三维有限元建模，确认了方程组地区和边界条件，并用有限元法测定了热值。

5.1模型确定及求解条件

对永磁直驱电机的三维平衡态温度场和流体展开了值分析，根据热传导规律性建立了冷传导方程组，热量理论，根据热传导理论：在平衡态温度场的方程组之中，热传导方程组不含时间段项。同时，挑选了包含热能和各向同性流体的三维平衡态冷传递方程组。在笛卡儿坐标系之中，液体的运动者由物理学动量定理掌控。根据动力学和传热学的基本原理，电气内部的液体移动和热传导合乎质量、角动量和能量守恒定律。

5.2基本假设

永磁直驱电机绕组使用型绕组。为了修改方程组步骤，提出了下列基本假设：只研究电气之中液体的平衡态运动者，即平衡态运动者，因此掌控方程组不含时间段项，导线尾部变平，定子槽处在不错的浸没状况，浸渍漆填充均匀，铜线绝缘体涂均匀，槽内大部分绝缘体物料（包含槽楔）的热性能与主绝缘相似。使用气流建模来叙述电气外部的流体。在变频器运动者步骤之中，液体的速率遥远高于声响的速率，即马赫数很大。因此，在上述假定之下，液体被视作难以传送液体。

5.3物理模型

在上述假定情况下，根据导线排序理论，等效线圈地处定子槽的上下层，直线平行于槽壁。根据永磁直驱电机的结构特征和热传导特征，根据永磁直驱电机的通风结构和热传导特征，建立了电气四周的椭圆形空气区，根据永磁直驱电机的通风结构和热传导特征，在机舱外设立管翅式专用加热组件。

5.4边界条件

根据永磁直驱电机的通风结构以及传热特性，相信加热流体出口是电气外部压缩机与液压端盖的API，出口是电气四周的外部气体地区。方程组地区的准确边界条件如下：（1）使用吸气边界条件，进气量为1.4m³/s。（2）风管进口使用影响进口边界条件，初始值为标准大气压。（3）以溶液区的液固界面为防滑边界。（4）以电气外壳地表为散热面，以溶液区之外边界的其多部分为绝缘面。通过方程组物理学建模之中温度场与流体的强耦合，获得电气内部浓度场。表3列出了在千瓦条件之下长期温升测试之中各组件的浓度，显示导线后部的曲面速率是早期的，电气曲面下方的风量是不均匀的。接近底部大门的风量高于底部大门的风量，并且风量随着抵达电气底部而增加。

表3 永磁同步电机主要部件温度

可见，接近机翼的出风口顶部浓度最高。从电气建模的温度场来看，由于加热流体出口浓度较低 ，中宫通风管出口浓度最高，进口浓度最低。该部分由板翅式换热器和环翅式换热器构成。换热部分的构成是使风扇与自然风的流入垂直，提升了装置的工作效率。因此根据上述情节和散热理论，提出了专用散热部分的结构，使电气的运输效能最大化。在电气浓度也在增加（达满功率后），所需的散热功能也在增加。同时，随着功率的提升，专用散热段的热传导性能获得提高。在中宫底部邻近地区，中宫最高温度增加131k，永磁直驱电机最高温度增加50K。

6电机温升试验结果

电气长期温升84.5k，电气温升测试结论见表4。

表4 电机温升试验结果

测试结论与模拟结果基本一致，证实了测定的有效性和结构的合法性。

7结论

简而言之，现代的永磁电气采用全封闭结构，其腹泻常数仅为强制通风感应电气的一半。当采用强制通风时，散热常数可大于强制通风感应电气的加热系数。更关键性的是，它能充分发挥永磁电气尺寸大、效能高的缺点。分析结果表明，这种新型散热结构的热负荷可比全拆除结构设计提高一倍，尺寸和质量分别增加同样的效能。通过中宫独立通风，永磁直驱电机拆除结构，既能符合永磁电气的特定保障要求，又能准确加热永磁同步电机主热源中宫电枢变压器。本设计首次采用强制通风永磁电机，提出了全封闭永磁电气的理论。针对内燃机车直驱永磁电气的通风散热难题，进行了合理的结构设计，并进行了有限元研究测定，测试与学说比较接近，证实了加热结构设计的合法性和仿真结论的准确度。

参考文献

[1]姚望.永磁同步牵引电机热计算和散热系统计算[D].沈阳:沈阳工业大学,2013.

[2]郭保成.高速盘式永磁电机的设计及多物理场分析[D].东南大学.2017

[3]徐磊.双定子直线旋转永磁电机的设计、分析与控制[D].东南大学.2017

[4]吴磊磊.三相表贴式磁场调制永磁电机的研究[D].华中科技大学.2018

[5]王晋.多相永磁电机的理论分析及其控制研究[D].华中科技大学.2010