非晶合金高速永磁电机热管理技术研究

发布时间：2017-09-09 04:41

  本文关键词：非晶合金高速永磁电机热管理技术研究

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【摘要】：高速永磁同步电机具有体积小、功率密度大、可直接与原动机或负载相连等优点,广泛应用于高速机床、高速离心压缩机等领域,然而由于其体积小,损耗密度高,且散热困难,容易引起永磁体过热而造成不可逆退磁,从而影响电机的运行性能,因此对高速永磁电机内流体流动特性、传热特点及冷却系统的研究具有重要的意义,主要研究内容有:首先,基于无限大平板层法搭建了测量非晶合金铁心轴向叠片导热系数装置,并对几组非晶合金铁心试样进行了测量。然后以一台15kW,30000r/min内置式非晶合金高速永磁电机为例,基于计算流体力学(CFD)以及传热学理论,建立了三维流体场与温度场的物理模型,采用有限体积法其对流体场和温度场进行耦合计算,得到了机内空气流动特性及各部件的温度分布规律,同时利用流体场有限元法分析了转子转速、转子表面粗糙度对机内空气摩擦损耗的影响。其次,针对高速电机端腔空气流动性差,转子散热困难的情况,研究了转子风刺对高速永磁电机内流体流动与温度分布的影响,并采用有限体积法对转子有风刺时机内流体场与温度场进行耦合计算,得到有风刺时机内流体流动特性及各部件温度分布,在此基础上,研究了风刺长度、风刺数量变化对电机流体场及温度场的影响,为改善高速永磁电机转子的散热条件提供依据。最后,建立了轴向“Z”字型和周向螺旋型水冷系统,利用流场分析软件FLUENT对比分析了两种水冷系统下的流速、流阻及温度分布,对周向螺旋型水冷结构水道个数的选取进行了计算,并分析了不同冷却边界条件对电机温度场的影响。另外,对一台20kW水冷永磁电机进行了温升试验,并将试验数据与计算结果进行对比,验证了耦合场求解方法的正确性。
【关键词】：高速永磁电机 有限体积法 流体场 温度场 水冷系统
【学位授予单位】：沈阳工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TM351
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-16
• 1.1 课题研究的背景及意义9
• 1.2 课题的国内外研究现状9-15
• 1.2.1 导热系数测量的研究现状9-11
• 1.2.2 流体场与温度场计算的研究现状11-12
• 1.2.3 永磁电机冷却系统的研究现状12-15
• 1.3 本文的主要研究内容15-16
• 第2章 高速永磁电机机内空气流动状态及其对温度场的影响16-36
• 2.1 电机内流体流动与传热的基本原理16-18
• 2.1.1 流体流动与传热控制方程16-17
• 2.1.2 流体流动与传热的耦合求解方法17-18
• 2.2 非晶合金铁心轴向叠片导热系数测量18-21
• 2.2.1 导热系数测量原理18-19
• 2.2.2 实验装置介绍19-20
• 2.2.3 导热系数测量结果及误差分析20-21
• 2.3 计算模型及求解条件的建立21-25
• 2.3.1 电机基本参数21-22
• 2.3.2 相关参数的确定22-23
• 2.3.3 物理模型与网格划分23-24
• 2.3.4 基本假设与边界条件24-25
• 2.4 流体场与温度场计算结果25-32
• 2.4.1 流体场计算结果分析25-28
• 2.4.2 温度场计算结果分析28-32
• 2.5 高速永磁电机空气摩擦损耗的计算32-35
• 2.5.1 空气摩擦损耗计算方法32-34
• 2.5.2 转速对空气摩擦损耗的影响34
• 2.5.3 转子表面粗糙度对空气摩擦损耗的影响34-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第3章 转子风刺对高速永磁电机流体场及温度场的影响36-52
• 3.1 计算模型及求解条件的建立36-37
• 3.1.1 物理模型及网格划分36
• 3.1.2 边界条件36-37
• 3.2 流体场与温度场计算结果37-42
• 3.2.1 流体场计算结果分析37-39
• 3.2.2 温度场计算结果分析39-42
• 3.3 风刺长度对流体场与温度场的影响42-46
• 3.3.1 风刺长度对流体场的影响42-43
• 3.3.2 风刺长度对温度场的影响43-46
• 3.4 风刺数量对流体场与温度场的影响46-49
• 3.4.1 风刺数量对流体场的影响46-47
• 3.4.2 风刺数量对温度场的影响47-49
• 3.5 风刺对空气摩擦损耗的影响49-50
• 3.6 本章小结50-52
• 第4章 高速永磁电机水冷却系统分析52-61
• 4.1 水冷结构物理模型52-53
• 4.2 水冷系统流体场与温度场计算结果分析53-55
• 4.3 水道个数对电机散热及流阻的影响55-58
• 4.4 不同冷却边界条件对温度场的影响58-59
• 4.4.1 入口水速对电机温度场的影响58
• 4.4.2 入口水温对电机温度场的影响58-59
• 4.5 温升试验与计算值对比59-60
• 4.6 本章小结60-61
• 第5章 结论61-62
• 参考文献62-65
• 在学研究成果65-66
• 致谢66

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