水冷电机水路设计的研究

随着高功率密度电机的发展,散热问题越来越受到关注.水冷作为一种实用的散热方式得到了广泛研究,目前使用较多的水路为轴向“Z”字型和周向螺旋型.本文按照水路设计的步骤,经过详细的推导计算,对两种水路性能做了全面的对比.在分析这两种水路优缺点的基础上,综合考虑了水路的散热效果和对外部散热器及泵体的影响,给出基于电机长径比的水冷电机水路选择方法.将该方法应用于实际工程电机水路设计,具有很好的指导意义.     

CFD分析车用电机螺旋水路的散热特性

车用驱动电机的合理冷却方式至关重要,直接影响电动汽车的运行稳定性。针对冷却方式中螺旋型水路进行详细的计算流体动力学(CFD)分析。在进水面积相同的条件下,针对方形截面的长宽比值不同进行分析,从流体流动迹线、散热系数、水泵功率、温度分布等多方面综合比较,总结散热特性规律为螺旋型冷却流体研究提供依据。通过有限元法(FEM)对螺旋水路的永磁电机进行温度场耦合分析,仿真给出电机整体温度场分布。最后,应用红外热成像仪测试样机机壳的温度分布,验证FEM温度场分布的一致性,并通过监测绕组端部PT100温度,验证FEM仿真温度场精度,保证整车运行可靠性,为车用电机冷却散热的研究提供一些参考依据。     

基于流固耦合方法的真空泵用屏蔽电机冷却系统分析

针对罗茨真空泵驱动电机在特殊环境下运行温升过高而导致电机烧毁的问题,通过流固耦合法综合选择合适的冷却系统,以保证电机的有效散热。以5 kW电机为研究对象,通过有限元法建立周向螺旋水路和轴向折返水路的电机仿真模型。基于流固耦合传热理论,分析电机内冷却介质的流动状态和电机温度分布,利用计算流体动力学(CFD)和温度场从流速、进出水口压差、电机鼠笼和绕组的温度分布等方面综合比较并选择更合适的冷却水路结构和尺寸配置。最后,对相应样机进行温升试验。试验数据与仿真数据吻合较好,从而验证了冷却系统设计的合理性以及仿真分析的准确性,为产品批量生产提供了科学依据。     

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。     

1.5MW双馈水冷风力发电机水冷系统的设计

介绍1.5MW水冷风力发电机的冷却系统结构及其计算过程,计算时综合考虑了水阻、水量、环境条件等因素对电机水路的影响。通过合理的计算、优化及电机冷却系统,使结构更加合理,该计算有效地应用于生产实际中,解决了实际生产制造过程中风力发电机的散热问题,降低电机温升。     

低速大转矩电机冷却系统数值计算

在低速大转矩电机系列设计中,考虑到机座的通用性和外形尺寸的规范性,采用了轴向水路的水冷机座结构。通过对电机冷却系统的流体场计算,得到了电机的散热情况,耦合温度场计算,得到了电机冷却水和机座的温升,并通过对机座的模态分析得到了电机的固有振动频率。     

矿用隔爆型电机的水冷结构设计与温升计算

针对矿用隔爆电机体积小、功率大、发热严重等应用特点,合理地设计水冷结构可以有效地平衡电机发热量,保证电机的安全运行。基于流体力学及电机传热学理论开发编制了水冷电机水路结构设计与温升计算程序。以YBSD矿用隔爆型三相电动机为研究对象,对其机壳水路进行了结构设计与热力计算,并进一步计算了电机的温升情况。通过将程序计算结果与实际电机数据进行对比分析,验证了所提方法的可行性和计算的准确性,为矿用隔爆型水冷电机设计提供了技术手段。     

印制绕组电机的温升试验

众所周知 ,电机损耗不仅使电机效率降低 ,而且使电机发热 ,电机各部件的温度高于周围介质的温度 ,这个高出的温度称为电机的温升。电机损耗越大 ,发热越快 ,温升越高 ,会加速电机的绝缘老化损坏 ,降低电机的使用寿命。电机中各部件的发热大小不同 ,散热能力相差较大 ,即使同一部件各点的温升也是不一样的。印制绕组电机采用轴向永久磁铁 ,磁滞涡流损耗很小 ,发热不严重 ,而且是粘贴在电机外壳内侧 (如图 1所示 ) ,散热条件良好 ,温度不超过 12 0℃ ,对永久磁铁磁性能的影响极小。电机轴承的外圈与电机外壳相连 ,散热情况好 ,轴承的温度也不…     

低速大转矩永磁电机的转子散热问题

对一台低速大转矩永磁电机进行有限元温升计算,并在保证电机性能参数基本不变的情况下对电机进行改进设计,缩短了铁心长度,提高了转矩密度,节省了材料。但改进后电机的转子和永磁体温度过高,易使永磁体退磁。结合fluent流固耦合计算方法,首先理论分析影响对流换热强弱的因素,然后研究加装散热风刺的不同尺寸对永磁体散热效果的影响规律,以及开设转子轴向、径向通风道对永磁体散热效果和温升分布的影响。最后进行样机试验,与理论分析结果进行对比,验证了所提转子散热方法的有效性及计算的准确性。该方法对低速大扭矩永磁电机的设计有借鉴意义。     

永磁同步电机的冷却结构优化设计及温度场仿真

根据电动汽车用高功率密度永磁同步电机螺旋水路的结构特点,分析了进出水管布置方式对压力损失的影响,结果表明进出水管切向于水路方式比进出水管法向于水路的压降降低了10.7%。对改变水槽和隔板尺寸的水冷机座进行散热能力与压力损失的仿真计算,通过压降、表面散热系数与散热面积的综合分析,机座水路结构以水槽宽度30 mm、隔板宽度5 mm的方案最佳。基于选定的螺旋水路结构,对电机的流场和温度场进行耦合仿真计算,通过仿真结果与试验数据的对比,验证了电机冷却结构设计的合理性与仿真结果的准确性。     

屏蔽电机定子端部氮气腔温度场计算方法分析

核主泵屏蔽电机的热设计是涉及核电发展的一个关键因素,直接关系到电机能否安全运行60年。针对某屏蔽电机结构紧凑、内部损耗大,特别是氮气腔内散热条件差,定子绕组容易超温等特点,本文基于有限体积法,根据计算流体动力学(CFD)原理,分别进行了常规不考虑与考虑辐射换热两种算法时的电机内温度场数值模拟,获得了电机内的三维温度分布,并分析了定子端部氮气腔内的自然对流换热系数和热流密度等传热特性。此外,还对比了两种计算方法电机内温度分布的差异。计算结果表明,两种计算方法的峰值数值模拟结果与实验数据的相对误差分别是+3.6%、-4.2%。所得结论为对我国开发具有自主知识产权的同类电机产品具有重要参考价值。     

不同转子通风结构对高压异步电机传热特性的影响

为了降低高压异步电机的温升、强化电机内部的对流传热,以一台额定功率为1 250 kW的高压异步电机为研究对象,基于计算流体力学和对流传热优化的场协同理论,设计了新的转子通风结构。建立电机三维耦合分析模型,对电机进行流热耦合分析,借助数字化仿真技术计算并比较了新老转子通风结构下的电机各个通风道的流体流动及传热特性。从对流传热优化的场协同角度,得出了不同转子通风结构下的电机温升和温度分布规律,为高压异步电机通风结构优化设计提供参考依据。最后,将新电机结构的温升计算结果与样机的型式试验结果进行对比,温升误差仅为4%,验证了计算方法的准确性和有效性。     

深海推进用永磁无刷电机温度场分析

深海推进用永磁无刷电机在低温、高压的海水中运行,并且电机内部充油,其热源和散热条件与普通工业电机不同。准确计算推进电机的温升对其高功率密度与轻量化设计具有指导意义。以“思源号”全海深自治遥控潜水器(ARV)主推进电机为例,基于计算流体力学和传热学理论搭建了包含导管螺旋桨、推进电机及内外流域的三维稳态流场-温度场仿真模型,研究了电机充油及驱动螺旋桨旋转对其温升的影响,并分析了电机主要部件的温度分布。最后,通过温升试验验证了仿真分析的有效性和准确性。     

航空电机及控制器的温度场仿真分析

对一种航空用高功率密度无刷直流电机,建立电机和控制器一体的三维热仿真模型。根据电机系统内部热交换及传热学相关理论,确定系统内散热系数与热边界条件,利用有限元分析软件ANSYS Workbench对建立的热仿真模型进行温度场仿真与分析,得到了不同环境温度变化情况下电机和控制器的温度场分布和温度对时间变化的曲线。经与试验得到数据进行对比分析,验证了仿真的准确性。这对电机和控制器的设计与温度场计算提供了依据。     

大功率九相变频异步电机通风系统热流耦合仿真分析

为了有效解决大功率低速异步电机通风散热难题,基于热流耦合仿真分析计算方法,以1台2 800 k W、8极九相变频异步电机为例,系统分析了顶吸式强迫风冷电机内定子齿压板宽度距离对电机内风量分配、绕组温升分布以及内部风阻特性的影响,并筛选了匹配方案;同时,对比分析了九相减薄绝缘结构与三相高压绝缘结构的换热性能。最后,进行了电机的温升试验测试,温度场计算值与试验结果基本吻合,验证了基于热流耦合仿真分析计算的准确性和有效性。     

全封闭大功率永磁牵引电机的温度场数值计算

为研究全封闭大功率永磁牵引电机额定工况下的稳态温度场,以一台额定功率为815 kW的永磁同步牵引电机为研究对象,依据成型绕组槽部导热模型,建立了整机三维温度场共轭传热计算模型。考虑旋转磁化、冲压过程和磁密高阶谐波对定子铁耗的影响,以及水套-定子铁心间接触热阻抗对电机温升的影响,采用Fluent软件对电机额定工况下的稳态流场与温度场求解,使用电阻法和埋置检温计法（ETD）测得电机在额定工况下绕组的平均温升、铁心测点和绕组端部测点局部温升,绝对误差分别为-3.7 K、-0.3 K和7.6 K。进一步分析了电机水路和内风路流场分布特性、水套-定子铁心间接触间隙对绕组平均温升的影响以及槽内绕组附近的温升分布情况,最后提出了该类电机冷却系统设计优化方向。     

防爆型高功率密度电机温度场与流体场综合计算

根据对防爆型高功率密度电机额定运行状态的分析,建立其传热数学物理模型。通过电机气隙流体场计算给出了气隙换热面的表面散热系数,借此用有限元法对电机温度场进行了模拟;模拟结果与实验结果对比,两者能够很好地吻合,说明该传热模型可以真实有效地反映实际传热过程。根据计算结果分析电机的温度场分布规律,找出额定工作时温升最大的位置作为监控点,其结果可以为电机热控制的优化提供理论依据。     

高压干式潜水电机定子温度场奇异性分析

根据传热学理论,建立了大型干式潜水电机定子温度场的三维计算模型,模拟研究了潜水电机额定工况下定子温度场分布的奇异性。     

轴向通风内置式永磁同步电机流固耦合传热计算分析

压缩机用内置式永磁同步电机(IPMSM)由于工作场合空间的限制,需要满足更高的功率密度要求,其温升成为亟待解决的问题。以一台7.5 kW IPMSM为例,基于计算流体力学和流固耦合传热理论,设计并分析了一种轴向通风式的冷却结构。在机壳开有通风槽、转子安装风刺并开有通风孔的情况下,研究了电机内部的流体流动特性,分析了进风口数目对流体流动的影响。得出了电机各部件温升分布规律,并比较了有无风刺以及增加进风口数目对电机散热的影响。最后制作了一台12极54槽轴向通风IPMSM,通过样机试验数据验证了此冷却结构的有效性。     

某内潜水式永磁电机三维流场与温度场仿真分析与优化

不同于常规自然散热或机壳水冷电机,内潜水式电机直接采用水对电机内部进行冷却,因此存在整机流固共轭传热的强耦合。为提高电机的可靠性与安全性,流场与温度场耦合传热分析十分必要。针对某船用气隙水冷方式的内潜水式永磁电机,基于计算流体动力学(CFD)原理,对该电机三维流场与温度场进行数值仿真分析与几何结构改进,消除了电机内部流场出现的逆流现象,提高了整机的散热效率,优化了电机的流场与温升。所得结果对该型内潜水式电机的几何结构设计具有一定的参考意义。