基于流固耦合的高速永磁电机冷却结构分析与改进

为研究高速永磁电机的温度分布状态和冷却系统效率,以一台全封闭式15k W、30000r/min高速非晶合金永磁电机为例,分析电机内冷却介质的流动状态和电机温升分布,并通过对比一台结构相似的10k W、2250r/min样机的温升计算结果和实验结果,验证算法的准确性和可靠性。针对全封闭式永磁牵引电机转子发热严重的特点,建立了一套由转子径向风孔隔板作为风扇驱动、自循环轴向-径向混合通风冷却系统,通过流固耦合仿真验证了冷却系统的高效性和可靠性。计算结果表明,通过应用该冷却系统可以有效地降低转子位置的温升,对全封闭式高速永磁电机冷却结构设计具有一定的参考意义。     

一种轴向风冷结构对高速永磁电机转子温升的抑制研究

在变频器驱动方式下,高速永磁电机具有较大的转子涡流损耗,由于其转子的散热能力较差,易使永磁体温升较高,而发生不可逆失磁现象。采用机壳水冷结构可以有效地带走电机定子侧的热量,但是对于高速永磁电机的转子部位,水冷结构的冷却效果有限。以一台15 kW、30 000 r/min的高速永磁电机为例,设计了一种风、水混合冷却结构,基于流固耦合的计算方法分析了水速、风向以及不同风道截面积对电机永磁体部位温升的影响,并得出了相对的最优值。与仅采用水冷结构相比,增加该风冷结构可使永磁体温升降低了18.1 K,该结构可对大功率高速永磁电机的冷却系统设计提供一定的参考。     

基于CFD的高速电机冷却结构设计与温度场分析

电机发热严重会加速绝缘材料老化，影响永磁体性能，冷却结构的合理设计可以提高电机散热能力，保证电机安全稳定运行。以一台40 kW、40 000 r/min高速永磁电机为例，设计了机壳螺旋型、轴向直槽型、径向Z字型、翅片式螺旋型4种水道。基于计算流体力学(CFD)理论从流动稳定性、压差、散热效果等多方面对4种水冷结构进行对比分析，揭示出最优冷却水道结构。设计了一种集成水冷和空冷混合冷却方式，通过对电机进行合理的简化和假设建立3D仿真模型，采用有限体积元法对电机进行热仿真分析，证实该冷却方式的有效性，为高速电机冷却结构设计提供一定参考。     

永磁风力发电机风冷结构设计与分析

随着永磁风力发电机单机容量的不断增大和电磁负荷的不断提高,其冷却结构的合理设计已成为发电机研发过程中的重点与难点。以一台1.65MW强迫风冷直驱永磁风力发电机为例,基于计算流体力学和传热学理论,建立发电机全域三维流动与传热耦合模型,应用有限体积法数值分析发电机内的流动和温升分布状态。针对强迫风冷结构需要外接风机而占用系统空间大、清洁维护难度高的问题,提出一种由转子辐板支架作为离心式风扇驱动冷却风的全封闭式自循环风冷系统。通过不同冷却结构尺寸下散热性能的对比研究,给出了较适宜的发电机冷却结构方案,对提高大型永磁风力发电机的运行可靠性具有一定的参考意义。     

永磁发电机混合冷却系统设计与数值计算

设计1台额定功率300 kW、额定转速2 700 r/min的永磁发电机,要求中心高不大于225 mm,则功率密度约是普通电机的6倍,电机的温升控制成为了亟待解决的问题。为了降低电机的温升,设计了水冷机座,通过有限元仿真计算,发现电机绕组端部温升仍然较高。为了进一步降低绕组端部温升,在原水冷机座基础上增加了4条轴向通风道,并使冷却水能够对4条轴向通风道内的冷却气体进行冷却,电机端部温升计算值显著降低。为了验证这种混合冷却结构的可行性,制作了1台样机并进行型式试验,试验结果与设计值基本吻合,从而验证了设计的准确性和轴向通风道对端部绕组散热的有效性。     

基于流固耦合的永磁直驱风力发电机传热分析

海上的风力发电已经逐渐变成一种大趋势.大功率的电机对装置的散热要求很高,因此对电机进行温度场分析可以很好地指导电机冷却系统的设计.强迫水冷电机与自然风冷电机相比具有散热效果好、噪声产生少,以及使用寿命更高等优点.本文以一台外转子永磁直驱风力发电机组为研究对象,基于流固耦合和共轭传热的分析方法,利用 Αnsys软件对正常工作下的电机进行温度场分析,从而得到电机内部主要部件的温度分布.最终,通过对一台10MW外转子电机进行流固耦合分析,对比计算不同冷却水流速下的电机温升分布,得出冷却流体流速与电机温升的关系曲线,为电机冷却设计提供参考.     

高速永磁电机的损耗计算与温度场分析

高速电机由于转速高和绕组电流频率高,单位体积定子的铁耗和铜耗、转子的高频涡流损耗和表面空气摩擦损耗,与具有常速的普通电机相比皆有较大的增加。同时,由于功率密度的增加和总体散热面积的减小,有效的散热和冷却方式是高速电机设计中的一个重要问题。本文基于磁场有限元和3D流体场分析,对高速永磁电机的基本电气损耗、高频附加损耗和转子空气摩擦损耗进行了分析,并以一台额定转速为60 000r/min的高速永磁电机为例,进行了高速电机损耗的计算及测试方法研究;基于流固耦合分析对高速永磁电机的温升进行了计算,通过对一台高速永磁电机温升计算值与实验结果的比较,验证了高速永磁电机温升计算方法的有效性。     

地铁永磁牵引电机冷却风扇性能与气动噪声研究

根据自扇风冷型地铁永磁牵引电机对冷却效果和气动噪声抑制的平衡设计要求,对分别采用两款冷却风扇的某一地铁永磁牵引电机的冷却效果和气动噪声进行数值分析和试验研究。两款风扇的主要差别在风扇外径,风扇B的外径比风扇A小约23%。研究结果表明,与风扇A相比,风扇B在电机风道内引起的风量、静压和消耗功率分别降低29%、47.4%和53%。在电机额定运行工况下,流量降低使电机温升增加约9 K,其满足电机温升设计要求,而相应的气动噪声降低3.3 dB(A),具有良好的降噪效果。     

高速永磁同步电机冷却系统优化分析

针对高速永磁同步电机的温升问题,以一台65 kW,12000 r/min电机为例,基于流体力学和传热学基本理论,采用CFD温度场仿真,对电机水冷结构的导热热阻对其散热性的影响进行分析,并提出在电机定子与水套之间填充导热硅脂以减小接触热阻的优化方案。通过样机实验测试,验证了该方案的可行性,为电机的冷却优化设计提供了依据。     

矿用集中绕组永磁电机新型冷却方式设计研究

为了进一步提升矿用集中绕组永磁电机的功率密度和散热能力,提出一种冷却水管与绕组并绕的新型绕组冷却结构。以一台315 kW集中绕组永磁电机为例,首先,通过合理的等效与假设,建立了电机的三维模型,基于计算流体力学（CFD）方法对电机进行温度场分析。其次,分析了不同的并绕方式以及相同并绕方式下不同的进水口进水速度对电机散热的影响,确定了最优散热方式。仿真分析表明冷却水管与绕组并绕的方式有效提高了散热能力。     

轴向磁通永磁电机混合冷却结构设计与分析

针对轴向磁通永磁电机损耗大和散热困难的问题,提出了风冷结构和混合冷却结构,其中混合冷却结构由端盖风冷结构和定子水冷结构组成。建立了电机的三维模型,采用流固耦合法对电机进行仿真分析,通过对比两种冷却结构的冷却效果,选择了混合冷却结构作为电机的冷却系统。通过仿真分析了流速对电机温升的影响,并根据仿真结果确定了混合冷却结构最佳的入口风速以及水速,证明了混合冷却结构的有效性,为轴向磁通永磁电机的冷却系统设计提供了一定的参考。     

高功率密度永磁同步电动机散热设计及热场分析

高功率密度永磁同步电动机由于单位体积上所折合的输出功率大而具有广阔的应用前景.但单位体积上输出功率大的同时,发热量大,导致整机温升严重,合理的散热设计对高功率密度电动机至关重要.先计算电动机额定负载运行时的各种损耗值,分析电机温升特点,再合理地设计电机的冷却结构,最后对电机进行热场仿真分析.以一台21kW、11000 r/min航空油泵电机设计为例,对电机进行了散热结构设计及热场分析.试验数据表明,电机发热计算及热场分析准确,冷却结构设计合理.     

航空永磁电机风冷-热管复合冷却技术研究

针对无人机(UAV)用旋翼电机产热高但结构紧凑、散热困难的问题,设计一种新型风冷-热管复合冷却系统,介绍了冷却系统的设计思路并对其冷却性能展开研究.以一台无人机用外转子永磁电机为研究对象,采用仿真与实验结合的方法,首先评估电机风冷系统性能,建立电机三维全域流场仿真模型,分析不同转速下电机内部流场特征;然后以流场计算结果...     

超高速电主轴永磁无刷直流电机温度场分析

以一台0.6 kW、200 000 r/min的微细切削超高速电主轴内装式永磁无刷直流电机为例,引入等效导热系数,有效地解决了电机定转子之间气隙热交换问题。建立超高速电主轴内装式电机电磁场与温度场二维有限元模型,通过电磁场与温度场的单向耦合,计算了高速电主轴电机额定负载定转子瞬态温度场,分析了转子永磁体和合金钢护套的温度分布,研究了不同材料护套和换热方式对电机温度场分布的影响,对超高速电主轴永磁电机的优化设计具有一定的指导意义。     

全封闭高速永磁电机转子结构对转子散热的影响

为研究转子物理结构对机壳水冷全封闭式高速永磁电机转子散热的影响,以一台15k W、30 000r/min的非晶合金高速永磁电机为例,基于流体力学和传热学理论,建立三维流固耦合共轭传热求解域模型,并给出基本假设与边界条件,采用有限体积法进行流固耦合求解,得到转子有无轴向通风孔和通风孔与风刺相配合时电机内流体流动特性及各部件的温度分布。在此基础上,研究通风孔尺寸、通风孔数量变化对流体场及温度场的影响。计算结果表明,转子引入风刺和通风孔等风压元件可有效提高转子的散热能力,降低永磁体温升。通过增大通风孔尺寸和数量可进一步降低永磁体温升。最后,对一台15k W全封闭式水冷非晶合金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,验证了耦合场计算结果的正确性。     

高速永磁同步电机流固耦合仿真与性能分析

为了探讨冷却系统设计对高速永磁同步电机散热效果的影响,提出了一种轴向强迫通风的冷却结构.以一台200 kW船用高速永磁同步电机为研究对象,基于流体动力学以及流固耦合传热理论,根据电机冷却结构特点,合理简化模型并给出基本假设与边界条件,建立了三维整机求解域模型.采用有限体积法对具有空冷和水冷集成冷却系统的高速永磁电机进行数值分析运算,分析了冷却水速对永磁电机温升的影响,揭示了最优水速方案下电机流变特性与温升分布规律.基于此,提出一种强迫空气通过气隙沿轴向流动的通风结构,通过对比不同通风结构下电机内流体场与温度场的仿真结果,证实轴向通风结构能够优化电机流温分布特性,提升电机冷却性能,对船用高速永磁同步电机冷却系统设计提供借鉴意义.     

10 kW超高速永磁电机三维瞬态温度场计算

为了考察电机在装配螺旋槽水冷套时对转子的冷却效果,针对1台功率10 k W、额定转速90 000 r/min的超高速永磁电机,采用有限元方法对电机三维温度场进行了研究,考虑了定子铁损、定子铜损,转子铁损和转子风摩擦损耗的影响。结果表明:定转子小间隙内的空气对转子起到了类似"热密封"的作用,当转子损耗功率较大时,仅依靠螺旋槽水冷套并不能有效地冷却转子,还必需辅以定转子小间隙的强迫空气冷却,以进一步降低转子温度。研究结果为大功率高速永磁电机热设计提供了重要参考依据。     

高速永磁电机定转子小间隙三维流场计算

为了考察高速、超高速下这种"定转子环形间隙+定子槽"并联冷却结构的流场特性,针对一台额定转速120 000 r/min的超高速永磁电机,采用计算流体动力学方法对定转子小间隙三维流场进行了研究,分别考虑了定子槽、轴向冷却流,以及转速对电机定转子小间隙流场的影响。结果表明:定子开槽后,原先存在于定转子环形间隙内的泰勒涡消失了,另外高转速、轴向流加强了环形间隙区气流与定子槽区气流的混合程度。研究结果为高速永磁电机转子热设计提供了重要参考依据。     

高速永磁电机转子风摩耗对温升的影响

高速永磁电机（HSPMM）结构紧凑、功率密度高、散热困难,易使转子永磁体因温度过高而发生不可逆退磁。以一台额定转速为30 000 r/min的HSPMM为例,基于计算流体力学和数值传热学的原理,从工程实际应用的角度,对不同通风量下的转子风摩耗及温升进行计算分析,并与电机温升试验进行对比。研究表明：HSPMM转子风摩耗占总风摩耗比重较大,且该比重随着流量的增加而增加;通风量达到一定值后,电机散热达到平衡,转子风摩耗随着流速的增加而急剧增加,使永磁体温度升高。增加机座水冷后,可以降低通风量,使电机达到理想温升水平。     

1.12MW高速永磁电机多物理场综合设计

高速电机设计时即要满足电磁性能要求,又要满足机械特性的要求,还需满足冷却与温升的要求,因此高速电机的设计是一个多物理场迭代综合设计过程。针对高速电机的多物理场一体化设计过程,本文基于电磁场-转子强度-转子动力学-流体场与温度场等对一台1.12MW,18 000r/min的高速永磁电机进行了综合设计,在多物理场仿真分析的基础上,得到了满足电磁性能、转子强度、临界转速和电机温升的综合设计结果,并加工了一台样机,进行了电机性能实验、转子机械特性实验以及温升实验,实验结果与计算结果相吻合,验证了本文仿真分析与设计方法的可行性,对大功率高速永磁电机的设计与发展具有一定的借鉴意义。