朱森荣 邱扬扬 凌吉生 邱 峰

目前我国的车载空调电机控制技术相对比较落后，国产车载空调系统稳定性差，产品质量整体不高[1]。而导致这一现象的一部分原因是空调电机驱动系统整体性能较构成差，根据设计原理与分类方式的不同，电机的具体构造与成本构成也有所差异。电机是应用电磁感应原理运行的旋转电磁机械，用于电能向机械能的转换。运行时从电系统吸收电功率，向机械系统输出机械功率。而电动机在工作过程中产生的损耗会转化成热量导致电动机的温度升高。但电动机的耐热性一般较差，过高的温度将导致电动机的绝缘材料容易老化、变脆，甚至失去绝缘性，从而缩短电动机的使用寿命。因此，对电机热负荷的计算为以后改善电机的性能提供指导。

1 电机热负荷基本情况

1.1 电机产生的热量

电机产生的热量分成两部分。

（1）一部分以热辐射和热对流的方式散发到周围介质中去。

（2）另一部分以热传导的方式存储在电动机内部，使电动机的温度升高。故电机的发热和冷却是选择电动机容量时最基本的因素。

1.2 电机组成材料的物理属性

电机的组成材料有钕铁硼、硅钢片、铝合金、绕组等，其物理属性密度、比热容、导热系统如表1 所示。通过分析各组成材料的物理属性，有利于更好的地解决热负荷问题。

表1 不同材料的密度、比热容、导热系数

2 电机的发热与冷却

2.1 电机的发热

表2 电机的参数

电机额定功率、负载系数、效率如上表2 所示，由公式（1）可得出电机的发热量为19.444 kW。

2.2 电机的冷却

冷却过程中，冷却介质随着电机冷却而升温。通过表3 数据，我们可知空气系数温度升高10℃，水温升高5℃。

表3 冷却介质参数

3 电机热负荷计算

3.1 电机的升温计算

3.1.1 电机的升温

电机的允许温升τmax主要由电机绝缘材料及电机工作环境温度决定。当环境温度为40℃。则电机不同等级材料的允许温升为表4 所示。

表4 不同绝缘等级下电机的允许升温度

图1 发热升温曲线

如图1 所示，电机的负载变化或机械性能变化，电机的单位时间内生成的热量Q 增大，进而增大系统热平衡温升τL，系统进入升温过渡过程。大约经过3 倍时间常数后，τ-τL的差，将缩小为初始值的0.05，若电机的初始温升τF不同，但经过3 个时间常数后，τ-τL的差，也将缩小为初始值的0.05。

3.1.2 对电机升温的估算

现在对升温的估算通常用电机的线负荷和电流密度的成绩来衡量[3]。电机的线负荷A 是沿着定子内圆每厘米长度内的电流数，cm-1，可由式（2）计算得到。

式中，W 为每相的线圈匝数，m 为相数，I 为相电流，D 为定子内圆直径。

电流密度J 是电流强度I 和导体截面S 的比值，mm-2，可由（3）计算得到。

式中，L 为定子线芯长度（m），ρ 为导体电阻率（Ω·mm·m-1）。热负荷q 可由（5）计算得到。

热负荷q 也称作热流密度，即电枢单位表面的铜耗。它表示定子内圆单位表面积所散发出去的损耗瓦数。

上式假设了定子线圈直线部分的铜损耗全部通过定子的内圆表面散发出去。

3.1.3 考虑转子电流热损耗是电机温升的估算

滑环式或鼠笼式转子在额定负载时的电流损耗QCU2可由（6）计算得到。

式中，P2表示额定功率，Pm表示摩擦和通风损耗，s 表示额定负载时的转差率。

额定负载时的转差率s 可由（7）计算得到。

机械损耗Pm和P2相比较小，额定负载时的转差率S 也比较小，因此可由（8）计算。由转子引起定子内圆表面的单位热损耗可由（9）计算得到。

假设转子的电流热损耗通过空气隙完全传导到定子铁芯上，此时定子内圆表面总的单位热损耗可由（10）计算得到。

3.2 电机的降温

图2 散热降温曲线

如图3 所示，电机因负载或机械特性变化，电机单位时间内生成的热量Q 值减少，系统的热平衡温升降低，系统进入降温过渡过程。与电机的升温过程类似，大约经过3 倍时间常数后，电机温升与平衡温升的差即：τ-τL的差也将缩小为初始值的0.05。

3.3 电机的热平衡方程

温升τ 表示电机与周围环境平均温度之差。热平衡温升τL可由（11）计算得到。

式中，Q 为电机单位时间产生的热量，A 为电机与环境间的热导。

电机的热平衡温升τL只与电机单位时间内产生的损耗能量有关。若τ=τL，系统处于热平衡状态。若τ≠τL，系统处于热过渡状态。处于热过渡状态的拖动系统会逐渐向热平衡状态逼近。

系统过渡态的热力学方程可由（12）计算得到。

如果电机的初始温升为τF，且A、Q、C 皆为常数，则一阶微分方程的解应由（13）计算得到。

式中，Tθ表示系统热时间常数。

热时间常数Tθ又可由（14）计算得到。

分析热力学性能的三个参数A、Q、C，其中A 为正比于电机面积，C 为正比于损耗功率Q 与电机体积。

电热导与空气直接接触，其传热过程由辐射、传导及对流三种方式组合，因此，它与温升的乘积只有在特定的条件下才等于热流。故电机尺寸愈大，其热惯性越大，并且热平衡温升愈高，这也是大功率电机必须高效工作的主要原因。对比电机低效运行时的工作状况：

（1）小功率电机，低效运行，甚至带负荷直接启动，由于散热容易，其后果是浪费能源。

（2）大功率电机：低效运行，有直接烧毁电机的危险。

4 异步电机的损耗

4.1 电机的损耗由以下几部分组成

定子绕组中电流通过所产生的铜耗q 可由式（15）计算得到。

式中，A 表示电机的线负荷，单位为A·cm-1，J 表示电流密度，单位A·mm-2，ρ 表示导体电阻率，单位为Ω·mm2m-1。

转子绕组中电流通过所产生的导体（铝或铜）损耗Pcut可由式（16）计算得到。

式中，m 表示相数，N 表示每相线圈匝数，I 表示相电流，ρ表示导体电阻率，L 表示导体有效部分的长度，A0表示导体截面积，J 表示导体电流密度。

铁心中磁场所产生的涡流和磁滞损耗PFe可由式（17）计算得到。

式中（1）磁滞损耗ΔPh：磁畴反复转向使铁芯发热损耗。磁滞损耗与磁滞回线所围面积成正比。（2）涡流损耗ΔPe：交变磁场使铁芯产生感应电动势和涡电流使铁芯发热损耗，称为涡流损耗。

4.2 降低损耗提高效率的途径

为了防止损耗对电机效率的影响，我们必须采取措施来降低损耗带来的危害。其方法有（1）降低定子绕组中电流通过所产生的铜耗q；（2）降低转子绕组中电流通过所产生的导体（铝或铜）损耗Pcut；（3）增加有效材料，降低绕组损耗Pcut和铁耗PFe；（4）采用较好的磁性材料和工艺措施以降低铁耗PFe。

5 结论

通过对不同电机材料受热性能分析及电机的升温、降温和热平衡方程的计算，找到最适合电机工作的温度及环境。电机在各方面的损耗也有相应的解决方式，损耗的降低提高了电机的效率。电机性能的提高对车载空调的效率优化起到了至关重要的作用，也为汽车行业的发展提供了动力。