非晶合金轴向磁通永磁同步电机热管理技术

发布时间：2020-10-16 03:49

　　 轴向磁通永磁电机具有功率密度高,结构紧凑等优点,在风能发电、飞轮储能、电动汽车领域具有良好的应用前景。尤其是非晶合金等超薄低损耗软磁材料的发展,其更适用于卷绕工艺的特性使得高频轴向磁通永磁电机的研究得到极大关注和快速发展。轴向磁通永磁电机的频率也突破传统电机频率限制,达到800Hz甚至1200Hz以上。如此高的频率会极大增加转子损耗,使得永磁体温度过高,因此对转子散热乃至电机的安全可靠运行带来极大挑战。首先,本文提出了一个解析模型,用于分析考虑不同永磁体形状、定子槽口宽度的轴向磁通永磁同步电机的永磁体损耗。通过求解麦克斯韦方程,得到了永磁体中的磁场。之后利用电阻网络计算了永磁体涡流损耗。最后通过与有限元计算结果的比较,验证了分析模型的正确性。其次,本文针对端盖水冷全封闭式高频轴向磁通永磁电机提出了一种在转子外表面设置离心式风叶提高机内空气湍流强度的转子温升抑制方法。基于计算流体力学方法,分析了不同风叶数量和长度对全封闭轴向磁通永磁电机空气摩擦损耗和转子温升的影响规律。为了进一步提高散热能力,分析了矩形风叶在面积一定时,不同长宽比对空气摩擦损耗和转子温升的影响规律。在此基础上,进一步提出了改进的转子风叶结构,分析了两种改进风叶形状对电机散热性能的影响,以及转子内侧加装风叶对轴承温升的抑制作用。最后,通过对一台样机试验验证了分析方法的正确性。最后,针对端盖水冷全封闭式高频轴向磁通永磁电机,提出了一种在转子支架外侧安装风叶与转子支架上开设通风孔相配合提高机内空气湍流强度的转子温升抑制方法。基于计算流体力学方法,对比分析了转子支架开孔、转子支架开孔并配有转子风叶轴向磁通电机与常规转子不开孔轴向磁通电机对转子温升的抑制效果。在此基础上,计算了通风孔数量以及通风孔占转子支架比例对全封闭轴向磁通永磁电机空气摩擦损耗和转子温升的影响规律。为了进一步降低转子温升,分析了不同数量的风叶与通风孔相互配合对电机散热性能的影响,最后,通过对一台样机试验验证了分析方法的正确性。
【学位单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM341
【部分图文】：

轴向磁通同步电机的磁动势空间谐波和开口槽将产生相当大的转子损耗，Luigi Alberti等人对一台轴向磁通永磁同步电机转子损耗进行了实验测量，分别针对三种转子盘结构进行实验验证，其结构如图1.1 所示，其中一个贴有钕铁硼永磁体的转子盘的盘式电机在空载和负载情况下被测量，然后对装备有未磁化的永磁体的转子盘的盘式电机进行转子损耗测量以验证磁动势谐波对转子损耗的影响；最后对一台转子盘上不装备永磁体的盘式电机进行转子损耗测量，验证磁动势谐波对转子铁盘的损耗影响[1]。a 永磁体转子盘 b 无永磁体转子盘图1.1 有、无永磁体转子盘结构Fig. 1.1 Rotor disk with PMs and without PMs文献[2]采用电阻网络法计算永磁体损耗时，引入电感来考虑永磁体的涡流反作用，推导了电感的计算方法。在文献[3]中，采用有限元法求解二维模型的磁场分布，然后用电阻网络法计算永磁体损耗。Werner Jara 等人提出了一种新型轴向磁通电机的线圈绕组开槽形式以减少电机转子的涡流损耗，并且增加主磁链。其中转子盘结构采用复合型材料，该材料不导磁并且不导电，降低了转子的损耗，其次其永磁体端面装贴钢片用于减小永磁体涡流损耗。电机结构示意图如图1.2 所示。最后作者通过有限元法计算并验证了该新型结构的对电机转子损耗有有效的抑制作用

并且增加主磁链。其中转子盘结构采用复合型材料，该材料不导磁并且不导电，降低了转子的损耗，其次其永磁体端面装贴钢片用于减小永磁体涡流损耗。电机结构示意图如图1.2 所示。最后作者通过有限元法计算并验证了该新型结构的对电机转子损耗有有效的抑制作用，并且计算了永磁体端面覆盖钢片的最优厚度[4]。a 电机示意图 b 转子实物图图1.2 电机结构Fig. 1.2 Rotor structure国内同样有大量学者对永磁体涡流损耗计算和抑制做出大量工作。沈阳工业大学陈萍等人基于坡应廷矢量法计算了一台径向磁通永磁同步电机的永磁体涡流损耗，该模型考虑了永磁体涡流反作用，并引入磁导谐波考虑电机的齿槽效应，以此考

体涡流损耗，经计算当铜层厚度达到 0.5 毫米后，电机永磁体损耗下降较为明显，证明了设计方案的有效性。图1.3 轴向磁通永磁同步电机电镀铜Fig. 1.3 Copper plating for Axial Flux Permanent Magnet Synchronous Motor文献[13]针对齿槽效应是导致电机永磁体产生涡流损耗的重要原因之一，作者基于子域法计算电机槽口系数，在电机槽口位置建立多个子域，通过解析模型的边界条件求解磁矢位方程，运用坡印廷定理对电机永磁体涡流损耗进行了计算，具体表达式如公式（1.1）所示。
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本文编号：2842712