04-永磁电机温升高原因分析与改善

1、电机温升分析

电机的温升由电机的产热（损耗）和散热（冷却方式和散热面积）共同决定，电机的温升限值由电机绝缘系统耐温等级、转子磁钢类型共同决定，轴承润滑方式影响轴承温升进而影响其寿命。表1给出了不同耐温等级绝缘系统的参考指标，电机温升（特指绕组端部温升）超过温升限值会降低电机绝缘系统的寿命，一般地，每超过10℃，寿命缩短一半。磁钢牌号影响电机的温升限值，尤其是高速电机，表2给出了不同钕铁硼材料的温升限值，有250℃及以上高温需求的可以选用衫钴磁钢（最高允许温度250-500℃）。轴承的温度一般不高，采用油润滑（冷却）的比脂润滑的温升低，寿命较同工况脂润滑的长，对于高速电机，建议选择油润滑。

表1 绝缘系统耐温等级

绝缘耐温等级	A	E	B	F	H	C
最高允许温度（℃）	105	120	130	155	180	≥200
绕组温升限值（K）	60	75	80	105	125	140

表2 钕铁硼磁钢耐温等级

磁钢耐温等级	N	M	H	SH	UH	EH	AH	VH
最高允许温度（℃）	80	100	120	150	180	200	230	250

   

图1 钕铁硼磁钢磁性能与耐温等级（图片来源：金力永磁官网）

电机温升的仿真主流采用motorCAD和ANSYS，仿真精度一般在10℃以内，通过同系列的电机实测数据修正后，可以控制在5℃以内。电机温升的测量一般通过在绕组端部埋置温度传感器（NTC或者PT100/PT1000）实现，测得的温升与电机实际温升仍会存在些许误差（工程上可认为温度传感器测得的温升即为电机端部最高温升）。转子的温升准确计算与试验数据获取仍是当前需要深入研究的课题，有部分试验室通过在转子磁钢表面贴温度试纸，记录过程中电机最高温升，或设想在转子表面埋置无线温度传感器进行温度传递。

2、电机温升高的原因分析与改善

2.1 设计阶段

低速电机：温升最高点出现在绕组端部。电密选择过大；或磁密过于饱和，在较高转速段铁耗大；绝缘系统材料导热系数小，绝缘材料厚度大导热路径长；散热面积小（自然冷却或风冷电机散热筋面积小，水冷电机水道短，油冷电机油路覆盖面积小），冷却散热功率小，等。    

图2 电机温升仿真

高速电机：温升最高点一般出现在转子磁钢中间段。极槽配合选择不合适导致绕组谐波系数高，或者PWM供电开关频率低，电流波形毛刺多导致谐波多，或者气隙磁场非正弦导致谐波多，高次谐波在磁钢中涡流损耗大引起转子温升高，等。

降低电机温升的方法有增加电机体积重量和增加散热。一般采用选择较少极数的单元电机极槽配合、加长定子铁芯、降低电机电负荷和磁负荷、增加电机散热面积、利用内置式电机磁阻转矩降低绕组电流等方式改善温升。

2.2 使用阶段

电机未故障：工况超过设计限额使用、工作环境温度异常，电机电压降低导致弱磁电流提前介入，进而绕组损耗增加较多等。

电机故障：相间短路，匝间短路，各种原因的轻微退磁引起的恶性循环退磁，冷却故障或水道堵塞等。