静压轴承高速电机转子损耗与温升特性研究

发布时间：2020-09-16 09:22

　　 高速电机有体积小,功率密度大的特点,同时功率因数高,转速变化范围大,可靠性高。由于这些优点,高速电机在航空航天,精密制造等领域有着良好的发展前景。但电机损耗密度大,温升高,这成为了限制其使用范围。转子侧散热条件恶劣,永磁体在高温下极易产生不可逆的退磁,影响高速电机的正常工作。高速电机的转子损耗主要来源于转子涡流损耗、风摩损耗和轴承的机械损耗。本文以空气轴承高速电机为研究对象,建立了空气轴承高速电机的流体场模型,利用流体场模型的分析计算高速电机定转子气隙的风摩损耗以及轴承内的风摩损耗,并分析了电机结构以及流场边界条件对高速电机风摩损耗的影响,并通过降速实验进行了验证;通过建立转子涡流损耗模型,分析了转子的护套形式以及材料对转子损耗的影响;基于传热学的理论,建立了电机的温度场模型,分析了流体流态对气隙内散热系数的影响,以及不同护套材料下电机温度场的不同。首先,分析了高速电机中流体的控制方程。然后根据空气轴承高速电机流场的特点,对其中的流体场流态进行分析,并根据不同流场作用机制,将定转子气隙内风摩损耗分为切向与轴向两部分。通过计算流体力学的方法对风摩损耗进行计算分析,将其结果与现有的风摩损耗经验公式作比较,结果相一致。其次,分析得到了定转子气隙内转子转速,外径,气隙长度以及气隙边界条件对风摩损耗的影响规律。然后,根据流场模型,计算了空气轴承内不同偏心率下的压力速度分布,研究了径向轴承和止推轴承内风摩损耗的影响因素。而后,通过降速实验分离得到电机内的风摩损耗,与计算值相比较,分析两者间的误差验证计算模型的准确。而后,对所要研究的电机中转子涡流损耗进行分析。建立了永磁电机转子涡流损耗的计算模型,分析了转子侧谐波的影响因素。并研究了载波比,转子分块,护套形式、材料以及气隙长度对转子涡流损耗的影响。最后,基于流体场的分析结果以及损耗的计算对高速电机中的温度场进行研究。分析了电机内各部分散热系数的计算,对定转子气隙内的转子表面散热系数进行研究分析。在电机中建立流体场与温度场耦合的模型,研究了护套材料对电机温度场的影响。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM355
【部分图文】：

a) Westwind 空气轴承高速电机 b) Loadpoiat 空气轴承高速电机图 1-1 空气轴承高速电机目前转子涡流损耗有这样两种方法可以计算，一是针对某种特定的电机转子域的材料以及物理属性推导涡流损耗的解析表达式，二是采用有限元法转子涡流密度，进而得到总的转子涡流损耗。高速永磁电机转子磁极多采用钕铁硼这样的高能量稀土磁体，这些永磁着较高的矫顽力和剩磁，但是导电率较高带来了转子损耗大，并且这类永磁体稳定性较差，与铁氧体相比对工作温度的要求更高。再加上高速电机中散热条好，这类电机容易引发永磁体退磁，并进一步影响电机的正常工作，恶化电机能。因而要在设计时避免出现转子温升过高，得到准确的永磁体涡流损耗。另由于高速电机中较高的转速，而永磁体无法承受这样的离心应力，需要护套以保护永磁体。护套的材料一般采用不导磁合金钢或者碳纤维。不导磁合套由于电导率较高，护套内会形成额外的涡流损耗；而碳纤维绑扎护套中，虽导率很小，对转子涡流损耗没有影响，但导热性较差，恶化了转子的散热性能为了准确计算转子涡流损耗，国内外的学者尝试通过建立电机的电磁场理想化边界条件，利用解析的方法来计算转子涡流损耗。

内容基于静压轴承形式的高速电机。本章对电机内的流场的风摩损耗以及影响规律。的内容可以知道电机的流场内风摩损耗包含定转子气隙内损耗，而定转子气隙内的风摩损耗又包括有轴向流动产生形成的损耗。这样，总的风摩损耗可以表示为：wind r jy zt axP P P P P定转子气隙内切向的风摩损耗（W）；两个径向静压轴承内的风摩损耗（W）；静压止推轴承内的风摩损耗（W）；气隙内轴向流动的风摩损耗（W）。轴承内流场与气隙内流场结构以及具体的边界条件差异较，气隙长度在毫米级，而在静压径向轴承和止推轴承中，气别，且静压轴承内流体压力大于大气压强，所以流体的流动因而分别建立定转子气隙，径向轴承以及止推轴承的流体摩损耗影响规律。 3-3 为针对不同的流场环境建立的模型。

图 3-2 径向轴承流场模型 图 3-3 止推轴承流场模型表 3-1 模型的尺寸模型标号 半径 r（mm） 气隙长度 （mm）1 22.5 0.52 32.5 0.53 52.5 0.54 72.5 0.55 92.5 0.56 22.5 0.257 22.5 0.758 22.5 13.2.1 转子转速对风摩损耗的影响对这些模型不同转速下进行仿真求解其风摩损耗。图 3-4 和 3-5 显示了不同速下模型中的风摩损耗。图中可以看到速度越高，壁面剪切力越大，转子表面摩系数越大，风摩损耗随之提高。。25022.5mm

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本文编号：2819686