高密度电机主要尺寸、功率和散热能力关系研究

　　永磁无刷直流电动机以其性能优异、运行可靠和维护方便等优点已广泛应用于精密仪器、机器人、工业自动化设备、航空航天等领域。许多场合要求电机体积小、输出功率大，这意味着电机有较大的电磁负荷和热负荷，有更多电机损耗产生的热量，将通过更小的电机表面来散热。对于一台材料已知的电机，在一定的散热条件下，电机的表面积能否满足电机大功率损耗的散热需要，不同机座号电机的散热能力和大额定功率的上限，以及与主要尺寸的关系，这些问题关系到电机的成本、性能、安全和寿命，值得分析研究。

　　1电机功率损耗与电机主要尺寸的关系电机设计过程中，必须确定许多尺寸，但其中起主要与决定作用的是电机的电枢计算长度lef和电枢直径D，即电机的主要尺寸。电机的电负荷A和磁负荷与所选择的主要尺寸有着密切的关系，同时，电机的电磁负荷也决定了电机的额定功率及其损耗。

　　电机的主要尺寸与电机的电磁功率、转速和电磁负荷之间满足：机转速。

　　对于一个主要尺寸已知的电机，的变化不大，而、Knm、的变化范围更小，这里视、Knm、丽d-p3，则；为斯忒潘-玻耳兹曼常数。

　　在实际工作中，这三种散热方式时刻并存。假设一个物体所有外表面传热条件相同，则单位时间该物体通过其表面积对外界总的传热量可表示：由此可知，物体对外界总的传热量Q与物体的散热表面积A成正比关系；另外，在物体表面积A已知的情况下，Q还是一个关于T的增函数，物体单位时间总的传热量随自身的温度升高而增大。

　　对于高密度永磁无刷直流电动机，在定子槽中通常灌封环氧树脂，这不仅对定子绕组起固定和绝缘的作用，也对定子绕组的的热量有效的传导至定子铁心起了至关重要的作用。经测试和分析，对于采用灌封技术的高密度电机，热稳态下，系统内部大温差较小。对于给定的工况，假设：电机所在的环境温度不随电机的温度而改变；暂不考虑温度对电机损耗的影响；（3）电机所有外表面传热条件相同。

　　根据电机绝缘材料等级和磁性材料热稳定性的要求，电机运行过程中必然有高工作温度T，当绝缘材料工作温度长期超过T，则绝缘材料老化加剧，寿命大大缩短。假如磁性材料长期超过T，将造成磁性材料不可逆退磁。由于Q是一个关于T的增函数，所以在T时，电机通过其表面积单位时间内的传热量大，即：+nDXf；Ds为电机定子外径。

　　在电机温度为Tm时，设h（T Ds=kD，则有式（6）可以得到：3电机散热与电机功率损耗的关系研究从式（4）和式（7）中我们知道，电机的额定损耗Pkss和单位时间内的传热量QTmax都是关于气隙直径D和电枢计算长度lef的函数。并且他们存在如下关系：当Plss　　我们可以通过来表示。图形1为P-与D、ef的关系图，图形2为QTm与D、ef的关系图，当图形1在深图形2下面时，表示Piss QTmax；两图形相交时，表假设定子外径是电机气隙直径的2倍，即k2，上式可演化：匕一久胃与电机主要尺寸仄的关系图式（9）是我们得到的一个电机主要尺寸的临界点，而此时的临界点正是我们在电机设计中需要的。因为在这一临界点，我们设计的电机在其额定功率下长期运行并达到稳态，其稳态温升则刚好为电机设计所允许的大温升。

　　另外，从式（9）也可以看出，临界点的电枢直径D和电枢计算长度1ef是一个关于cos 　　对于一台绝缘材料和永磁材料已知的电机，在某种固定的散热条件下，设计分祈3.3电机绕组断路故障当电机绕组发生断路故障时，故障检测与逆变电路上下功率器件同时断路相同，即断路绕组无电流。

　　3.4电机绕组短路故障电机绕组短路可分为两种情况，当发生严重匝间短路或者相间短路时，短路绕组将发出大量热量，这时加装在电机上的温度传感器将发出电机过热信号，电机停止工作。

　　当发生轻微匝间短路时，电机不会出现过流现象，此时若电机工作在较高转速，则在短路部分绕组中将产生较大的感应电流。假设绕组相电压为U，额定转速下反电势为E绕组阻抗为Z匝数为n，则3.6冗余运行电机系统正常运行时两套绕组都通电流，进行热冗余运行；当控制系统发生短路或者断路情况以及电机绕组发生断路情况时，电机系统进人单套绕组运行；当电机绕组发生短路故障时，电机系统停止工作。为电机正常工作切换到单绕组冗余运行的相电流对比。

　　每匝反电势，E，每匝阻抗。

　　（a）正常运行时相电流（b）单套绕组运行时相电流电机波形照片电机正常工作时，绕组电流：rU-E当发生匝间短路时，则该匝线圈所感应出的反电势在该匝内形成环流，短路匝电流：双绕组永磁同步电动机冗余控制与故障分析一般反电势都为外施相电压的85 ~95，所以短路匝电流为正常电流的5. 7~19倍。可见短路线圈也会快速发热，并终造成烧毁。当电机匝间短路达到一定值时，由于短路绕组的影响，母线电流会产生周期性的脉动，因此需要检测母线电流。当母线电流出现周期性的脉动时，则判定电机匝间短路，此时电机应该停止工作。

　　电机采用两套线性霍尔元件作为位置传感器，每套传感器的三个霍尔相隔120°电角度安装。由于线性霍尔感应到得是正弦波，则对三个霍尔传感器进行模拟采样所得值相加应该为一个常数，当采样得到的值相加超出该值一定范围（考虑到模拟采样干扰问题），则判定该套传感器故障，同时换用第二套传感器作为位置传感器。

　　4结语电机驱动系统在军用和民航等多种领域的广泛应用，使得可靠性问题成为了相关领域学者关心的重要问题。因此，研究具有高可靠性和高功率密度的电机系统具有非常重要的现实意义。本文在分析了双绕组永磁同步电机基本结构特点的基础上，对该电机的单DSP冗余控制系统进行了分析研究，取得了如下的研究成果：（1）电机系统正常运行情况下两套绕组电流分配问题；（2）电机系统发生故障时的检测及冗余运行问题。