機車大功率直驅永磁牽引電機新型通風散熱結構設計摘要：對機車大功率直驅永磁機車電氣的通風散熱結構展開了分析，提出了一種新型的永磁電氣通風散熱結構。在強制通風條件之下，對結構的溫度場和流體展開了研究，建立了電氣的物理學建模，給出了求解域的邊界條件，并展開了測定和研究。原型機的測試結論與模擬結果基本一致，為新型通風散熱結構的設計和溫升的測定獲取了依據。關鍵詞：機車大功率直驅永磁牽引電機；結構；通風散熱；流體場；溫度場機車直接油壓裝置是將油壓變頻器直接相連到機車軸之上。就機車車體而言，省去了車輪傳動，使機車的傳動結構更輕、效能更好、噪聲更小、修理更方便。直驅電氣已逐漸成為線路機車裝置之中的流行電氣之一。因此，必須根據傳動的尺寸來提升直驅機車電氣的轉矩。隨著轉矩增大，電氣的尺寸和質量將成比率增大。在確保電氣效能的條件之下，在極大的維度內造成最大的轉矩，使電氣的尺寸和質量最大化，提升電氣模塊的通風散熱功能，減少了電氣的熱負荷。1永磁直驅電機對通風散熱系統的要求永磁直驅電機永磁直驅電機具備永磁體，對磁性物料（特別是電氣運輸時造成的合金）有很強的潛力。如果永磁電氣的永磁直驅電機部分沒確切的隔絕舉措，工作自然環境之中附著在永磁直驅電機之上的灰塵會引發定永磁直驅電機間的磨擦，影響電氣的安全性運輸。因此，永磁電氣加熱基本上使用全封閉結構。2永磁直驅電機通風散熱型式的確定原有永磁電氣通風散熱結構基本上使用全封閉結構，所以無論是發動機還是強制風冷的殼，其加熱和散熱都在殼的里面，因此無法影響到電機的里面。與通常機車電氣的強制通風結構相對，增加了主機板與永磁直驅電機間的導板，使散熱空氣只通過變壓器而不轉入永磁直驅電機部分，避免腸胃轉入永磁體。中宮變壓器是電氣最大的熱能，其加熱功能高于中宮開放式電氣。3直驅電機通風散熱結構實現永磁電氣機架使用全疊層結構，中宮鐵心內設計有8個內冷風道，中宮槽內設接近永磁直驅電機的內圈。槽內設通風管，中宮與永磁直驅電機間裝永磁直驅電機隔離導風板，導風板與中宮端板間用密封圈密封所有永磁直驅電機。散熱空氣不會轉入中宮和永磁直驅電機間的氣隙。吸入口設立在基座液壓端的上部，排氣口設立在非液壓端蓋的后部。在強制通風條件之下，散熱空氣從進風口運送到電氣之后，電氣使用兩種方法加熱。一種方式是進入機架外殼與中宮鐵芯間的風道，然后進入非驅動端的出風口。另一種方式是通過電樞變壓器一側和槽下方風道進入電氣，然后進入非驅動端出風口。4電機參數電機基本上設計變量見表格1。表1電機參數額額額額定外風定功率定電壓定頻率轉速機流量/r?/m3?/kW/v/Hz?'min-s-'12021540.0083501.4使用有限元法對電氣的電場展開了值仿真。變流器的千瓦高速如表2所示，根據動力學獲得基本上耗損原產。表2變頻供電狀態下電機損耗及分布W永定定磁體渦轉雜子銅耗子鐵耗流損耗子鐵耗散損耗338577481185161454.2.12.620根據動力學、傳熱學等社會科學的經驗，建立了傳熱學等社會科學的熱計算微積分建模，并對確認各部件導熱系數和散熱常數的建模展開了修正；透過該操作系統建立了原型三維有限元建模，確認了方程組地區和邊界條件，并用有限元法測定了熱值。5.1模型確定及求解條件對永磁直驅電機的三維平衡態溫度場和流體展開了值分析，根據熱傳導規律性建立了冷傳導方程組，熱量理論，根據熱傳導理論：在平衡態溫度場的方程組之中，熱傳導方程組不含時間段項。同時，挑選了包含熱能和各向同性流體的三維平衡態冷傳遞方程組。在笛卡兒坐標系之中，液體的運動者由物理學動量定理掌控。根據動力學和傳熱學的基本原理，電氣內部的液體移動和熱傳導合乎質量、角動量和能量守恒定律。5.2基本假設永磁直驅電機繞組使用型繞組。為了修改方程組步驟，提出了下列基本假設:只研究電氣之中液體的平衡態運動者，即平衡態運動者，因此掌控方程組不含時間段項，導線尾部變平，定子槽處在不錯的浸沒狀況，浸漬漆填充均勻，銅線絕緣體涂均勻，槽內大部分絕緣體物料（包含槽楔）的熱性能與主絕緣相似。使用氣流建模來敘述電氣外部的流體。在變頻器運動者步驟之中，液體的速率遙遠高于聲響的速率，即馬赫數很大。因此，在上述假定之下，液體被視作難以傳送液體。5.3物理模型在上述假定情況下，根據導線排序理論，等效線圈地處定子槽的上下層，直線平行于槽壁。根據永磁直驅電機的結構特征和熱傳導特征，根據永磁直驅電機的通風結構和熱傳導特征，建立了電氣四周的橢圓形空氣區，根據永磁直驅電機的通風結構和熱傳導特征，在機艙外設立管翅式專用加熱組件。5.4邊界條件根據永磁直驅電機的通風結構以及傳熱特性，相信加熱流體出口是電氣外部壓縮機與液壓端蓋的API，出口是電氣四周的外部氣體地區。方程組地區的準確邊界條件如下：（1）使用吸氣邊界條件，進氣量為1.4m3/s°（2）風管進口使用影響進口邊界條件，初始值為標準大氣壓。（3）以溶液區的液固界面為防滑邊界。（4）以電氣外殼地表為散熱面，以溶液區之外邊界的其多部分為絕緣面。通過方程組物理學建模之中溫度場與流體的強耦合，獲得電氣內部濃度場。表3列出了在千瓦條件之下長期溫升測試之中各組件的濃度，顯示導線后部的曲面速率是早期的，電氣曲面下方的風量是不均勻的。接近底部大門的風量高于底部大門的風量，并且風量隨著抵達電氣底部而增加。表3永磁同步電機主要部件溫度電機平均溫部位 度/°C環境48.8機殼48.8定子鐵心 106.21定子線圈 106.63轉子鐵心 79.13轉子永磁體 81可見，接近機翼的出風口頂部濃度最高。從電氣建模的溫度場來看，由于加熱流體出口濃度較低，中宮通風管出口濃度最高，進口濃度最低。該部分由板翅式換熱器和環翅式換熱器構成。換熱部分的構成是使風扇與自然風的流入垂直，提升了裝置的工作效率。因此根據上述情節和散熱理論，提出了專用散熱部分的結構，使電氣的運輸效能最大化。在電氣濃度也在增加（達滿功率后），所需的散熱功能也在增加。同時，隨著功率的提升，專用散熱段的熱傳導性能獲得提高。在中宮底部鄰近地區，中宮最高溫度增加131k，永磁直驅電機最高溫度增加50K。6電機溫升試驗結果電氣長期溫升84.5k，電氣溫升測試結論見表4。表4電機溫升試驗結果平均溫TOC\o"1-5"\h\z機部位 度/°c環境溫度 38機殼 80定子鐵心107定子線圈 122.5測試結論與模擬結果基本一致，證實了測定的有效性和結構的合法性。7結論簡而言之，現代的永磁電氣采用全封閉結構，其腹瀉常數僅為強制通風感應電氣的一半。當采用強制通風時，散熱常數可大于強制通風感應電氣的加熱系數。更關鍵性的是，它能充分發揮永磁電氣尺寸大、效能高的缺點。分析結果表明，這種新型散熱結構的熱負荷可比全拆除結構設計提高一倍，尺寸和質量分別增加同樣的效能。通過中宮獨立通風，永磁直驅電機拆除結構，既能符合永磁電氣的特定保障要求，又能準確加熱永磁同步電機主熱源中宮電樞變壓器。本設計首次采用強制通風永磁電機，提出了全封閉永磁電氣的理論。針對內燃機車直驅永磁電氣的通風散熱難題，進行了合理的結構設計，并進行了有限元研究測定，測試與學說比較接近，證實了加熱結構設計的合法性和仿真結論的準確度。參考文獻姚望.永磁同步牽引電機熱計算和散熱系統計算