水内冷永磁同步电机设计与温升研究

发布时间：2020-07-26 13:43

【摘要】：永磁同步电机凭借高功率密度、高效率以及高功率因数等优点现已成为多领域的主流选择,尤其在驱动系统中的应用颇为广泛。随着驱动系统性能指标的逐步提高,对永磁同步电机的功率密度要求也越来越高。功率密度的提高一方面需要通过更优的电磁设计实现,现阶段已有大量的文献对高功率密度永磁同步电机的电磁设计展开研究并取得丰硕成果;另一方面需要从电机散热的角度入手,通过提升电机散热能力来实现。然而,随着电机功率密度的不断提高,现有散热方案越来越难以满足高功率密度永磁同步电机的散热需求。针对上述问题,本文借鉴大型发电机的散热理念,结合永磁同步电机的特点,提出永磁同步电机的水内冷散热方案,即在定子槽内放置冷却铜管,使冷却水道对绕组进行直接冷却以提高热交换效率。这种散热方案在大电机领域中的运用已较为成熟,但应用于相对小容量的永磁同步电机中却有诸多问题值得深入研究。主要问题在于如何平衡散热与电磁性能,为此需要在水内冷永磁同步电机的设计阶段,针对不同设计方案对电机温升进行快速且准确的计算,使电机既不造成材料浪费,也不发生绝缘破坏和高温失磁。本文正是针对水内冷永磁同步电机的冷却系统设计及温升计算展开研究,为进一步提升永磁同步电机功率密度奠定基础。首先,本文参考永磁同步电机电磁设计的一般方法,对一台高功率密度外转子永磁同步电机进行电磁设计和损耗分析计算。通过电磁场有限元进行电机空载和负载仿真分析,对比了不同供电方式下的电机损耗。空载和负载仿真结果表明电磁设计方案能够满足电机力能指标;损耗分析计算表明由逆变器供电产生的损耗明显高于正弦供电下的损耗,为后续章节的温升分析奠定基础。其次,本文对槽内水冷管道的设计和管壁涡流损耗的抑制方法进行研究。提出水道连接的原则,研究并选取合理的水道连接方案,在此基础上,对铜管管壁涡流损耗进行研究,确定铜管在槽内的摆放位置。结果表明,针对样机所提出的不对称并联水道连接方案可以消除铜管间的环流,且铜管置于槽底使管壁涡流损耗很小,从而实现水冷系统对电机电磁性能基本无影响,保证水内冷系统应用于永磁同步电机中的可行性。然后,结合有限体积法与等效热网络法,构建样机热路计算模型并进行模型验证和温升分析。首先使用计算流体力学分析软件对样机的气隙流体场、铜管内部冷却水流体场进行了仿真分析,针对样机修正对流换热系数经验公式;然后基于传热学基本理论,建立反应径向、轴向和周向温度分布的等效热网络,展开热稳态和热暂态分析,并与水套冷却的散热效果进行对比。结果表明,所设计的水冷系统不仅能够保证电机额定工况下长期运行,还能满足电机更长时间过载运行的散热需求。相对于水套冷却,水内冷方案具有明显优势。最后,在验证等效热网络准确性的基础上,使用所构建的等效热网络对水道尺寸进行快速优化设计,并研究水道端部增设散热翅对电机温升的影响。结果表明最优管径能够最大程度降低端部绕组温升,平衡散热和电磁性能;水道端部增设散热翅进一步降低电机端部绕组的温升,对转子侧的散热效果提升更加显著。热暂态分析表明端部增设散热翅可进一步延长电机短时过载连续运行时间。两种优化设计均建立在等效热网络快速计算基础之上,一方面体现了本文所建立的水内冷永磁同步电机等效热网络对电机温升分析具有极大应用价值;另一方面也为水内冷系统的设计提供指导,对提高永磁体同步电机功率密度具有重要意义。
【学位授予单位】：重庆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM341
【图文】：

示意图,冷却水道,环氧树脂,示意图

1 绪论槽内放置环氧树脂冷却水道的散热方案[8]，使冷却水道直接冷却绕组，同时使电机脱离冷却水套，结构更加紧凑，如图 1.2 所示，结果表明槽内放置冷却水道对于提高电机功率密度具有显著效果，然而，该设计中的槽内冷却水道使用的树脂涂敷工艺成本较高，且树脂材料导热性能差，在管道壁面上产生了较大的温差，有较大的改进空间。

模型图,有限元仿真,模型,反电势

图 2.3 有限元仿真模型ig. 2.3 Finite element simulation model of mo析机的重要性能参数，其波形正弦度的性。在最高转速（4100rpm）反拖下含量如图 2.4 所示，可以看出反电势这是由于分数槽绕组使齿谐波次数 2m奇次谐波磁场，从而避免了反电势中降低谐波磁场的绕组因数，对普通高反电势中的三谐谐波含量很低，从而速运行时的平稳性[35]。

电流有效值,转矩转速,空载线,反电势

（a）空载线反电势波形（b）线反电势谐波组图 2.5 最高转速（4100rpm）空载线反电势分析alysis of no-load line back electromotive force at maximum speed仿真分析机性能满足技术要求，对电机进行负载仿真分析。电/电流的控制策略，在恒功率区使用弱磁控制。不同转图 2.6 所示。可以看出，额定工况下的电流有效值为A 的正弦电流激励下，达到峰值转矩 2250 N·m。

【参考文献】