充油式水下异步电机冷却系统多场耦合分析方法

冷却系统的合理设计与准确分析是水下电机稳定运行的关键。首先考虑压力平衡、冷却、密封等问题,设计充油式水下异步电机冷却系统。其次分析水下电机损耗与温度间单向和双向耦合关系并给出相应的计算流程;基于散热器与水下电机和循环叶轮在温度和压力损失上的相互影响,确定冷却系统中温度场与流场间双向耦合关系,并推导散热器性能参数计算式;在此基础上提出多物理场耦合分析方法。最后采用所提出方法分析55kW水下电机冷却系统,揭示出铜耗、油摩损耗、工况点循环流量和散热器出口温度的变化规律,指出在水下电机温度场分析中计算转子铁耗是必要的,得到散热器结构参数影响规律及其合理匹配区间,并通过试验验证该方法的合理性。     

高功率密度轮毂电机温度场建模研究

本文对高功率密度轮毂电机温度场建模问题进行研究,通过热路模型理论分析给出温度场预测精度的影响因素,提出一种按损耗分布加载的精确温度场仿真方法。采用正交傅里叶分解算法对铁耗进行分析,揭示永磁电机铁耗的分布规律;结合热路模型分析以及与传统仿真方法对比,指出轮毂电机高速运行情况下采用该方法的必要性。     

潜水电机温度场研究方法及影响因素分析

以充油型潜水电机为研究对象,建立等效热阻网络模型和三维温度场计算模型,并将损耗和机壳表面对流传热系数以定值的形式加载到模型中,通过对比发现,有限体积法较等效热阻网络法更能合理地反映电机温度分布,进而以有限体积法为研究基础,对温度边界条件中影响因素进行分析,从而提出一种适用于潜水电机温度场磁热流耦合设置方法,即铜耗、粘滞损耗、机壳表面对流传热系数和内流场入口温度变化的UDF(User Defined Function)的设置,有助于提高温度计算结果准确性。     

计及温度边界条件变化的潜水电机磁热流耦合模型分析

以30kW充油式潜水电机为研究对象,建立了电机温度场三维模型,利用时步有限元法对电机热负荷进行了计算,给出了粘滞损耗、铁耗和铜耗在不同温度下或不同区域内的变化情况。在此基础上计及润滑油循环过程中入口温度的变化,对电机温度场及影响因素进行了分析,并与传统边界条件中参数为定值和参数中只有热负荷变化这两种情况下的温度场进行了比较,试验表明了采用计及热负荷和入口温度变化下所得温度仿真值更接近试验值,验证了所提出的边界条件设置方法的合理性,为后续冷却系统的优化提供仿真依据。     

铁耗和环流损耗分布对定子温度场及 绝缘外表面散热系数计算的影响

以150 MW空冷汽轮发电机为例,建立电机二维电磁场数学模型,利用有限元方法对电机定子基本铁耗及其分布进行计算与分析,在此基础上对定子温度场进行计算,并与传统方法铁耗均匀分布情况下的温度场进行比较,给出了铁耗分布对定子温度场的影响;研究了计及每根股线的环流损耗与环流损耗平均分布2种方案下的定子温度场。在考虑上述基本铁耗和环流损耗的基础上,提出基于傅里叶导热定律和牛顿放热定律的通风沟内主绝缘外表面散热系数计算新方法,为电机与电器的表面散热系数计算提供了新思路。     

混合定子铁心再制造电机三维温度场分析

针对混合定子铁心再制造电机的温度场计算问题,依据热传导及有限元理论方法,采用等效热网路法和有限元仿真法计算了再制造电机的三维温度场。分析了混合定子铁心磁密轴向分布情况,提出一种混合定子铁心铁耗的精确计算方法,计算得到混合定子不同材料段铁耗;建立了混合定子铁心再制造电机热网络模型,利用等效热网络法计算得到节点温度;计算了混合定子铁心轴向生热率,利用定子铁心按损耗分布加载的精确温度场仿真方法对再制造电机和原电机的温度场分布进行研究,得到了再制造电机的温度分布规律,并分析了原因。制造了混合定子铁心再制造电机样机并进行了温升实验,验证了计算结果的正确性。     

永磁-感应子式混合励磁电机转子油摩损耗

以充油运行永磁-感应子式混合励磁电机为对象,对电机转子油摩损耗进行了研究。根据电机结构特点,将电机中光滑转子与齿槽转子分开考虑,采用不同方法分别计算两部分的油摩损耗。基于流体力学理论,采用流体场数值计算方法,重点分析齿槽转子油摩损耗的影响因素,得到了油摩损耗与电机转速和定子内径的数值关系,揭示了温度对转子油摩损耗的影响规律。样机实验结果与计算结果基本一致,验证了计算方法的有效性。     

油摩损耗对电潜泵用永磁电机流固耦合传热计算的影响

电潜泵用永磁电机工作在高温高压的特殊环境下,采用润滑油作为潜油电机的润滑和冷却物质,润滑油随着转子在气隙中运动。以往研究只考虑了转子油摩损耗,然而相比于空冷、水冷等冷却方式,油冷时,润滑油黏度较大的特性是不可忽略的因素。且电潜泵用电机转速较高,润滑油对定子侧产生的油摩损耗是否可以忽略及其对电机温升的影响需进一步探究。因此,以一台15 kW潜油永磁电机为例,推导出了定子油摩损耗近似解析式,提出了定子油摩损耗与转子油摩损耗的关系规律。基于计算流体力学和流固耦合传热理论,研究了气隙处流体流动特性,证明了定子油摩损耗近似解析式的准确性,得出了电机各部件温升分布,并分析了定子油摩损耗对电机的温升影响。     

绕线方式对永磁同步电动机温度场的影响分析

定子绕组铜耗是引起电机温升的主要原因之一,绕组绕线方式的不同产生的绕组铜耗不同,进而对电机温升的影响不同。为研究绕线方式对永磁同步电动机温度场的影响,以单层同心式绕组和双层叠式绕组为例,采用Ansoft软件建立了两种绕线方式的永磁同步电动机模型并仿真计算电机铜耗和铁耗,利用Ansys Workbench软件仿真计算了两种绕线方式的电机温度场,通过对比温度场结果数据,得出在额定载荷下双层叠式绕组对永磁同步电动机温升影响较大。     

开关磁阻电机磁-热耦合仿真分析

采用有限元法对三相18/12开关磁阻电机进行了电磁场与温度场的耦合仿真。应用Ansoft Maxwell软件建立了样机的有限元仿真模型和驱动控制电路,通过瞬态场仿真得出电磁场和铁耗、铜耗分布情况,作为热源耦合到温度场分析模块。采用ANSYS Workbench软件的耦合分析功能,计算了样机的稳态温度场及各主要部件的瞬态温度曲线,并将仿真结果与实验结果进行对比。二者结果基本一致,表明磁热耦合仿真能够准确地分析电机内部的温度分布情况,为今后开关磁阻电机的设计与优化提供了基础。     

永磁同步电机损耗分离方法研究

永磁同步电机的性能优化是变频空调能效提升的重要手段,而电机各项损耗的准确预估及规律探究是电机性能优化的基本条件。通过对电机进行二维有限元计算,分别获得铁耗和电流,电流经过后处理得到铜耗,更进一步,通过加载实测电流波形计算出谐波影响下的铁耗。设计并优化损耗分离试验,用实验法测得各项损耗值,并与有限元计算结果分析对比,分析仿真与实测结果之间的修正系数,指导电机的性能优化设计。     

大功率永磁同步电机磁热耦合分析

本文以一台160kW永磁同步电机为研究对象,根据电机的结构参数在电磁仿真软件中建立了电机的有限元仿真模型,计算出电机在额定工况运行下的电磁场及铁耗和铜耗的分布情况。将三维模型导入到温度场仿真软件中并计算出各主要部分的体积,结合铁耗和铜耗的计算结果求出电机各主要部分的生热率,进而求出电机在额定工况下稳定运行后电机各部分的温度分布情况。在此基础上对电机进行温升实验,将两者结果进行对比,二者结果基本一致,证明磁热耦合仿真在分析电机内部温度场分布时准确性满足要求。     

永磁-感应子式混合励磁发电机三维暂态温度场的计算与分析

根据传热学理论,建立了永磁-感应子式混合励磁发电机电磁稳态条件下三维暂态温度场求解模型;给出了基本假设及相应的边界条件,确定了电机各部分的导热系数及表面散热系数;根据电磁场计算,得出了电机定子铁心损耗、绕组铜耗、转子涡流损耗及机械损耗等热源的分布;采用有限元法对电机三维暂态温度场进行了计算,分析了励磁电流、电机转速及负载类型对电机温度场的影响。通过样机实验对温度场的计算结果进行验证。     

大功率盘式交流永磁同步电机温度场流场耦合分析

根据510 k W盘式电机的电磁设计参数及热物性参数建立了三维温度场流场流固耦合模型,分析了额定工况下电机发热部件的温度分布,接着对样机进行了温升试验。针对温升试验电机温度偏高进行了改进性研究探索,从主动降低损耗和被动降低损耗两方面,研究了影响盘式电机温升的因素。主动降耗方面,建立了等效的二维直线电机模型,从铁耗理论模型和电磁仿真模型角度分析了不同牌号硅钢片在空载和负载工况下,铁耗瞬态变化趋势。对于供电频率较高的电机,尤其在弱磁区,铁耗往往成为影响电机温升的主要因素,对于卷绕定子铁心,建议采用沿着卷绕方向易于磁化、高磁感应强度、低损耗的晶体取向超薄硅钢片来降低高频铁耗。被动降耗方面,基于建立的三维耦合模型,分析了水道不同入口流速对电机定、转子最高温度影响、额定负载和过载工况下的定子绕组最高温度随入口冷却液流速变化趋势,最后将端盖端面水道流体单独建模,通过以上温升影响因素的分析,为之后盘式电机热管理的改进设计提供理论依据。     

基于磁热双向耦合的永磁电机损耗和温升分析

为了研究永磁电机材料（铜、钕铁硼）的温度特性对高速永磁电机的损耗和热性能的影响,在考虑电机部件装配间隙的基础上,提出一种磁-热双向耦合方法,根据电机电磁场实际损耗分布加载到其温度场中,绕组、永磁体等部件损耗随温度变化情况实时更新至电磁场,通过3-D瞬态有限元方法实现电机电磁场-温度场的多重迭代收敛计算。以一台15kW高速永磁电机为例,通过两种（磁-热双向、磁-热单向）不同的计算方法对该类电机在不同供电条件（正弦波供电及变频器供电条件）下的损耗及温升计算结果与样机试验结果进行对比和分析。结果表明,通过磁-热双向耦合方法所获得的结果与实验结果更为一致,验证了所提出的磁-热双向耦合法的准确性及优势,为提高该类电机损耗和温升计算精度提供指导。     

起重机用外转子PMSM全域三维瞬态温度场数值计算与分析

本文提出了一种新型起重机用外转子永磁同步电机(PMSM),并建立起重机用PMSM的三维温度场数学模型;基于传热学理论基础,通过有限元法建立了在特殊结构下起重机用PMSM的三维瞬态温度场数学模型,给出求解区域内的基本假设及相应的边界条件,确定了电机各部分的导热系数及各表面的散热系数;根据电磁场计算,得出了电机的定子铁心损耗、绕组铜耗、转子涡流损耗与机械损耗等的热源分布;以采用S3工作制负载持续率40%的低速大转矩外转子起重机用PMSM为例,本电机在每10分钟内运行4分钟,停机或断能6分钟。运用有限元法对电机三维温度场进行了计算,分析了静态温度场参数化计算、瞬态温度场计算对电机温度场准确性的影响。通过样机试验与计算结果的对比,证明瞬态热源时变加载的科学性,并为特殊工况电机的温度场计算提供了参考依据。     

基于 场路耦合的调速永磁同步电机损耗及温度场分析

基于ANSYS/Maxwell、Simplorer和MATLAB/Simulink仿真平台搭建了调速内嵌式永磁同步电机（IPMSM）场路联合仿真模型,进行了最大转矩/电流（MTPA）和弱磁调速控制策略下电机场路耦合仿真,得到了不同控制策略及不同负载状况下电机动态特性;采用三项铁耗分离模型,计算了不同工况下考虑谐波时的定子铁耗、转子铁耗、永磁体涡流损耗;搭建样机三维温度场有限元模型,通过有限元电磁场与温度场双向耦合仿真,分析了电机在不同工况下的温度场分布;实验结果验证了损耗及温度场分析结果的正确性。     

异步电动机空载损耗的测量

异步电动机用损耗分离法求取效率时,必须用空载试验,即在电动机空载状态下,改变电机的外施电压,从高到低读取P_0=f(u)曲线,并进一步作出p’_0=f(u/(U_N))~2曲线从中分离出铁耗和风摩耗。(见中小型电机试验方法GB1032—68) 假使空载试验不正确,则造成空载损耗P_0的测量误差,同时也会使铁耗和风摩耗分离不正确则造成转子铜损耗和效率的测量误差。本文对如何正确的测量空载损耗提出     

逆变器供电的潜油电机的损耗分析

针对逆变器供电对潜油电机损耗的影响,利用Manab建立了逆变器的仿真电路,得到了逆变器输出高次谐波的电压频谱,并计算出了潜油电机的高次谐波作用下的铜耗铁耗.研究发现,高次谐波对电机损耗影响很大,会直接导致效率下降.     

转子偏心对低速大转矩永磁同步电机损耗与发热的影响

为了研究转子偏心对损耗与发热的影响,以一台400 kW、20 r/min的低速大转矩永磁同步电机为对象,分析并建立了其转子偏心时的二维非线性时变电磁场和三维各向异性温度场模型,并通过有限元分析了转子偏心对该电机电磁性能及损耗、发热的影响.结果表明,随着转子偏心率的增加,反电动势及定子铁耗变化不大,但气隙磁密谐波畸变率、电枢电流、电磁转矩、齿槽转矩、定子铜耗、转子损耗及电机发热明显增加,转子偏心反向侧的局部温升变大;采用强迫风冷代替自然风冷后,可有效降低最高温度并使温升分布更加均匀.