高速永磁电机流体场与温度场的计算分析

为了研究中小型高速永磁电机内部流体场与温度场分布规律,以一台15k W,30000r/min内置式高速永磁电机为例,基于计算流体力学和传热学理论建立了三维流体场与温度场的物理模型,应用有限体积法对流体场与温度场进行耦合计算,得到了电机内空气的流动特性与各部件的温度分布规律。针对高速电机运行时转子表面空气摩擦损耗大的问题,基于所建立的3D流体场模型,分析了转子转速、转子表面粗糙度对空气摩擦损耗的影响。研究结果表明,高速永磁电机端腔空气的流动性差,加之空气摩擦损耗的影响,导致转子温升较高,且转子转速、转子表面粗糙度对空气摩擦损耗有着重要影响。     

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。     

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.     

高压高速电机通风与散热分析

针对YKS规格的高压高速电机单机容量高、局部温升大等特点,以1台YKS-560-2 3 000 kW规格的高压高速电机为例,依据电机实际尺寸,建立了电机端部绕组及定转子模型。采用有限元法对流体场与温度场进行了仿真,计算出电机运行时各个通风槽内冷却气体流动情况,并对电机整体进行流固耦合分析,得到高压电机端部绕组及定转子温度场分布。对仿真计算结果分析,并与样机试验数据比较,结果表明:流体场和温度场耦合的方法能够准确地了解YKS电机各个通风槽内的气体流动情况及电机内局部温升分布。     

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。     

高速永磁发电机的设计与电磁性能分析

由于结构简单、高效率和高功率密度,永磁转子成为高速电机的首选结构,然而转子的高速旋转和定子的高频供电,对高速永磁电机的电磁与机械设计提出了新的要求。该文在分析高速永磁电机设计特点的基础上,对一台60 000 r/min、75 kW的高速永磁同步发电机进行了电磁与结构设计,基于场路耦合有限元法分析了高速永磁同步发电机的空载和负载特性,计算了负载运行时电机的电磁与机械损耗,并进行了电机的温升场分析。计算的结果表明,高速永磁发电机的设计合理,电机性能能够满足设计要求。     

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。     

大功率高速永磁电机的电磁设计与损耗分析

大功率高速永磁电机的损耗与温升等影响电机功率密度的提高。以500 kW、12 000 r/min高速永磁电机为例,分析了电机极对数、定子绕组形式、转子结构、永磁体等对电机性能特别是损耗的影响。采用电机的有限元仿真模型,对电机的转子结构强度、输出性能、损耗进行了分析计算。试制了样机并对相关性能进行试验验证,分析计算与试验结果均表明,电机达到了较高的技术指标要求,为高速永磁电机的优化设计提供了参考。     

高速动车组大功率永磁牵引电机研制

随着动车组(EMU)速度等级的不断提高,要求牵引电机的功率更大、质量更轻、效率更高。为此,主要从高速动车组永磁牵引电机参数选取、结构设计等方面展开研究,并进行仿真分析计算,在现有安装空间内,研制出更高转速、更大功率密度的永磁牵引电机,以满足EMU运行要求。     

高速永磁电机转子设计与强度分析

文中介绍了高速永磁电机的设计特点，重点论述了永磁材料和转子结构型式的选取、主要尺寸的确定与转子强度的分析和计算方法。目前永磁电机多采用烧结钕铁硼永磁材料，其抗压强度较大而抗拉强度很小，永磁体难以承受转子高速旋转巨大离心力产生的拉应力，必须在永磁体外设置高强度非导磁防护套，采用过盈配合给永磁体施加一定的预压力。文中介绍了采用解析法和数值分析有限元法进行高速永磁电机转子强度分析的实用技术，并给出了对一台额定转速为60000r／min的高速电机永磁转子强度的分析计算结果。     

大容量高速永磁电机热流场仿真及参数敏感性分析

建立电机三维热流场模型,基于流固耦合法,计算大容量高速永磁电机温度场。通过样机温升试验,验证了仿真模型正确性。在此基础上选取导热系数这一影响温度场重要因素作为研究对象,通过控制其在合理范围变化,分析电机温度场对各部件导热系数的敏感性程度。结果为以后高速永磁电机温度场仿真中导热系数的确定提供了参考。     

高速永磁电机设计与分析技术综述

高速永磁电机在航空航天、能源及精密制造等领域具有广阔的应用前景。该文首先介绍了现有文献中的高速永磁电机定转子结构及其所使用的材料;然后从定子铁耗、铜耗、转子涡流损耗与风摩损耗等方面,分别总结归纳了电机中各项损耗及其计算方法;对比分析了各种高速永磁电机温升计算方法;概述了高速电机转子支承方式的发展情况。总结了转子强度与动力学分析相关的问题,最后展望高速永磁电机相关技术的主要发展方向。     

高速永磁电机综合设计与分析

高速非晶合金永磁电机设计受电磁、机械、温升的制约,因此高速非晶合金永磁电机的设计是一个多物理场综合设计的过程。针对高速非晶合金永磁电机设计受多物理场制约的问题,基于多物理场的分析方法,分析了非晶合金材料对高速永磁电机电磁性能的影响;研究了内置式永磁转子在高速运行状态下的应力分布,并分析了轴承支撑刚度对转子系统临界转速的影响;针对高速非晶合金永磁电机损耗分布特点研究了其温度场的分布。基于提出的多物理场综合设计方法,设计并制造了一台额定功率15 k W、最高转速30 000 r/min的高速内置式非晶合金永磁电机,并对样机进行了试验,验证了仿真分析与设计方法的可行性,为高速非晶合金永磁电机的设计提供参考。     

基于流体传热理论永磁风力发电机温度场计算

采用流体传热理论和有限体积法计算自然风冷式兆瓦级永磁同步风力发电机的三维温度场.确定热源及等效导热系数的计算方法,建立三维流体的数学模型;对一台实验样机建立三维流动与传热耦合计算的模型,并通过与实验结果的对比,验证计算方法的合理性.利用相同方法对一台1.5 MW永磁同步风力发电机的三维温度场进行计算与分析,在此基础上,...     

高速永磁电机转子护套张力缠绕激光加热成型过程多物理场耦合分析

随着舰船综合电力系统对电机转速和功率需求的不断增大,传统非导磁金属材料已难以满足大功率高速永磁电机护套机械强度要求,热塑性复合材料强度高、涡流损耗小、护套厚度也远小于金属护套,具有良好的发展前景。该文通过建立热塑性复合材料(T700/PEEK)激光加热成型过程三维温度-流体-运动多物理场耦合分析模型,考虑热塑性树脂熔化相变过程,提出预浸带截面运动速度+力学载荷边界结合局部圆柱坐标系的方法,解决了大张力载荷预浸带缠绕等效模拟难题,实现了考虑材料非线性的大张力缠绕高速电机转子复合材料护套成型工艺过程的多物理场耦合模拟。通过实验测试的温度与仿真结果对比,验证该文建立的多物理场耦合仿真模型的有效性。该研究所得结论对完善高速永磁电机转子复合材料护套张力缠绕工艺具有一定参考价值。     

降低真空环境高速永磁电机温升的设计方法

针对真空环境下散热条件差,分子泵电机长时间稳态运行时,电机损耗大而导致泵体外壳温升高的问题,对电机运行工况进行实测分析,并对该工况下电机温度场进行有限元分析,确定分子泵外壳温升高的主要原因是分子泵稳定工作时,铁耗太大所致.提出一种新的设计方案,在保证起动转矩兼顾效率的前提下,降低电机稳态工作时的铁耗,建立三维模型并进行...     

高速油冷永磁电机散热设计及分析

高速高功率密度油冷永磁电机,随着电机单位体积输出功率及损耗的增加与电机壳体表面积的减小,电机单位体积的发热量大,导致整机温升高,所以精准确定电机的各种损耗分布及数值,选取适合的冷却方式,并合理布局电机散热结构,对高速高功率永磁电机的设计尤为重要。本文从电机最大工作点的损耗计算入手,分析电机发热特点,优选电机的散热方式并按散热方式设计电机的冷却结构,对电机进行热仿真分析。以一台5 kW、13000 r/min航空油泵电机设计为例,对样机进行了散热结构设计及热场分析。试验数据表明,电机的各种损耗分布、数值计算及热场分析准确。     

高频非晶合金轴向磁通永磁电机温度场计算

高频非晶合金轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗分布不均,所以在电机温度场计算时不能简单地给永磁体赋一个平均生热率,需要根据永磁体不同位置的涡流损耗密度赋相应的生热率。本文将永磁体分成多块,利用有限元分别计算每块永磁体上的涡流损耗大小,给出了永磁体的不同位置涡流损耗分布规律。根据涡流损耗分布规律,改进了的永磁体分块原则,提高了电机温升计算效率。最后,利用有限体积法对考虑涡流损耗分布和未考虑涡流损耗分布两种情况下电机的温升分别进行了计算,结果显示,考虑涡流损耗分布计算出的电机温升结果更接近实测值。     

兆瓦级高速永磁电机通风系统设计与转子表面风摩耗研究

针对兆瓦级高速永磁电机的损耗密度大、散热困难、永磁体在高温情况下易发生不可逆退磁的问题,提出了一种径向与轴向混合的⊥型通风系统,通过流体仿真软件Fluent建立了该种通风系统的3D流体场计算模型,并详细分析了通风系统内的流体分布;同时针对高速电机转子表面线速度高(一般可达200 m/s)、转子表面的风摩耗较大且计算复杂的问题,基于所建立的3D流体场模型和解析法,对兆瓦级高速永磁电机的转子转速、转子表面粗糙度及通风量、风道几何参数、气隙大小对转子表面风摩耗的影响进行了研究计算,并总结了相应的规律。分析结果表明,所设计的混合⊥型通风系统具有较好的湍流特性和散热特性,转子转速和气隙大小是影响风摩耗的主要因素。     

双馈风力发电机三维温度场耦合计算与分析

根据流体力学以及传热学理论,阐明了流体与固体耦合直接求解温度场的数学关系.基于1.5MW双馈风力发电机电磁结构、通风结构和冷却方式,并结合电机内流体流动与传热特点,以发电机周向1/8区域作为求解域.采用有限体积元法对发电机内流体场和温度场进行耦合求解,并对求解结果进行了详细的数值分析.得出冷却空气在流通区域速度和流量分布规律;在此基础上,研究了电机温升分布规律及传热特性;将计算的结果与实测数据对比,验证了计算结果的正确性.