内燃有轨车辆永磁发电机温度场研究
康莉莉，姜东杰，孙树鑫，孙开意
【摘 要】发电机是内燃有轨车辆的重要组成部分，受安装空间和体积的限制，对发电机的散热冷却要求非常高。永磁发电机由于其功率密度高和效率高等优点而逐渐被应用在轨道行业。本文对一台560kVA内燃有轨车辆永磁发电机进行了电磁场、流体场及三维全域温度场分析。在电磁分析的基础上计算了电机各部件的损耗及生热率，对强迫风冷的电机机壳表面流体场进行了仿真分析，得到了额定转速下机壳表面各处的风速。在电机各元件的导热系数、散热系数和边界条件确定的基础上建立了热传导方程。运用三维有限元温度场分析软件对电机进行三维全域稳态温度场仿真分析，得到了发电机内部的温度场分布特点。上述计算仿真结果和实验数据基本吻合，为内燃有轨车辆永磁发电机的冷却设计提供了相关的工程理论依据。 【期刊名称】微电机
【年(卷),期】2018(051)011 【总页数】5
【关键词】内燃有轨车辆；永磁同步电机；电磁场；流体场；温度场 修回日期：2018-10-10
0 引 言
众所周知，内燃有轨车辆由于不用建设供电网和变电站等基础设施而大大降低了运营成本，从而在许多发展国家非常受欢迎[1-2]。发电机是内燃有轨车辆的重要关键部件，为整个车辆提供电能，特别是永磁电机由于具有效率高、体积小、重量轻等显著优点，逐步应用在轨道交通行业。由于内燃动车组对发电机
安装空间和重量的限制，发电机热负荷非常大，所以发电机的冷却设计非常关键[3-5]。本文对560kVA内燃车辆永磁同步发电机的温度场进行仿真研究，仿真数据和实际温升试验数据进行对比基本一致，为后续内燃轨道车辆用永磁发电机的设计提供了理论依据。
1 内燃车辆永磁同步发电机主要参数
560kVA内燃车辆永磁同步发电机定子采用成型绕组，定子槽形为开口槽，永磁转子为径向内埋式，用宽度为1.5mm宽硅钢片“肋筋”将每一磁极下径向布置的永磁体平分为3块，以增加转子铁心的机械强度，相邻两个磁极间通过隔磁桥限制漏磁通，隔磁桥与电机气隙间的“肋筋”宽度为2.5mm，两个隔磁桥间的“肋筋”宽度为5mm。为了增强发电机的结构发电机机壳为钢结构。为了增加散热面积以提高发电机的散热能力，在钢机壳表面粘贴固定有许多铝制散热片，并由电机轴端离心风扇冷却。为了降低转子自重采用焊接由立板的转子轴支撑转子铁心。发电机的主要参数如表1所示。发电机三维结构图如图1所示。
2 永磁同步发电机损耗计算
在对内燃车辆永磁同步发电机温度场分析之前，首先要确定发电机内部损耗和生热率[6-8]。发电机的损耗主要包括定子绕组铜耗、定子铁耗和永磁体涡流损耗，后两种损耗要借助于发电机负载时的电磁场分析结果来计算。 2.1 铜耗
定子绕组铜耗可由下式计算计算 PCu=mI2Rt (1)
式中，PCu为定子绕组铜耗，单位W；m为电机的相数；I为相电流，单位A；Rt为在定子绕组实际工作温度下的相绕组电阻，单位Ω。
根据式(2)可由计算得到绕组铜耗为3100W，由于绕组采用截面积较大的扁铜导线，考虑集肤效应，因此会在导体中产生附加铜耗，假设绕组附加铜耗增加20%，故绕组总铜耗为3720W。 2.2 铁耗
发电机工作于最高转速1800r/min，每相输出额定电流630A时，发电机二维电磁场有限元分析得到的电机内部磁力线分布和磁场云图如图2所示。 由图2可得，额定负载时定子铁心齿部靠近齿尖1/3齿高处最大磁密Bt=1.92T，轭部最大磁密Bj=1.55T，依据Bt和Bj这两个可以采用电机行业传统的铁耗计算方法来计算定子铁耗 (2)
式中，P10/50为单位质量的硅钢片在B=1T、50Hz时产生的损耗，这里取2.1W/kg；kt、kj分别为齿部和轭部铁耗修正系数，分别取2.5和2；Gt、Gj分别为定子齿部和轭部质量，分别为162kg和391kg；f为电机工作频率，这里为90Hz。
据上述数据计算可得额定工况下的定子铁耗为15203kW。
由于定子为开口槽，气隙磁导变化较大，电机负载时还会产生电枢反应谐波磁场，它们会使得永磁体内部的磁密发生变化，在永磁体内产生涡流损耗；同时在电机气隙与永磁体之间的转子铁心上产生相应的铁耗。利用有限元法分析得到额定工况下永磁体产生的瞬时涡流损耗功率如图3所示，由此可估算的工况下永磁体的平均涡流损耗为400W；转子铁心内产生的瞬时涡流损耗功率如图
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