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。     

高功率密度电机三维温度场计算及导热优化研究

短时工作制高功率密度永磁电机具有工作电密高、电枢绕组发热大、温升高的特点。对电机的三维温度场计算尤其是绕组端部温升的准确计算成为高功率密度电机设计的重要部分。该文对高功率密度电机的损耗进行了准确计算,着重分析端部绕组的电阻和铜损耗。在电机的三维温度场计算模型中对端部绕组进行了分层等效,计算和实验结果表明分层等效模型能够提高绕组温升计算的准确性。为降低高功率密度电机中电枢绕组的温升水平,对电机端部绕组进行导热优化,减小了端部绕组的传热热阻,电枢绕组的最高温升从80℃降至69℃。最后通过样机实验验证了理论计算的正确性。     

电机定子绕组端部建模方法对热流场仿真结果影响分析

电机温升是影响电机性能和运行可靠性的主要元素之一,温度校核已成为电机设计过程中的重要环节。目前大多采用电机三维温度场仿真方法,但是因电机端部绕组结构复杂,热流场耦合性强,对计算结果准确性影响较大。建立3种定子绕组端部建模简化方式,使用Fluent仿真软件平台对某感应电动机热流场进行了仿真计算及分析。结果表明,建模时可以将定子端部绕组简化为拉直向上弯折的二维结构,这种简化方式兼具建模时间短、仿真精度高等优点。所得结论对快速进行电机热流场仿真、缩短电机设计周期有一定的参考作用。     

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。     

多领域协同仿真的高密度永磁电机温升计算

为了有效解决电机温升不易准确计算的难题,该文首先提出基于多领域协同仿真的高密度永磁电机温升计算理念,详细论述温升计算的流程。基于热传导理论,论文导出槽内绕组等效导热系数的计算方法,有效地考虑了漆包线绝缘层、浸渍漆和微孔对电机温升的影响。以一台48槽/8极高密度永磁电机样机为例,基于多领域协同仿真的计算方法,精确计算样机的铁耗、计及集肤效应的交流绕组铜耗,以及永磁体的涡流损耗和电机内的温度场。最后,进行样机的温升试验,温度场计算值与试验结果基本吻合,验证了基于多领域协同仿真的高密度永磁电机温升计算方法的准确性和有效性。     

齿轮减速混合式步进电动机真空瞬态温度场计算与分析

建立了齿轮减速混合式步进电动机真空下瞬态温度场三维求解模型,应用ANSYS软件求解电机组件的温度场,分析计算了表面辐射率以及转速对温度场计算的影响。结果表明,辐射率越大,电机组件温升越低,电机组件内部温差越大;转速越高,电机组件温升越低。为了验证仿真计算的准确性,在电机绕组端部埋入热敏电阻进行不同转速下的热真空加载实验,实验表明,绕组端部温升比绕组平均温升高2℃左右,温度场模型计算结果与实验结果吻合。     

双边十二相直线感应电机端部漏感计算

端部漏感是多相直线电机初级漏感的重要组成部分,对电机设计、性能分析及高性能控制有着重要作用。该文提出一种双边十二相直线感应电机端部漏感参数的计算方法。通过引入气隙电流和镜像电流,以Biot-Savart定律为基础,把线圈端部各大段分成若干小段,用数值方法计算2线圈间端部电感,根据直线电机端部绕组排列方式,构造线圈位置矩阵;再根据各相端部绕组的空间位置,构造各相绕组的关联矩阵,最后在此基础上推导出电机初级绕组端部漏感矩阵。该方法具有应用灵活、计算速度高的优点。以研制的样机为例,给出该方法计算端部漏感的具体过程和结果,并通过样机试验验证该计算方法的准确性。     

家用高压清洗机风冷串激电机流场分析及流固耦合传热研究

针对家用高压清洗机风冷串激电机定子绕组温升过高的问题,以一台HC8840F单相风冷串激电机为研究对象,建立电机全域三维流固耦合传热模型。在此基础上,使用流固耦合传热计算方法模拟获得串激电机内部流场及温度场,并搭建试验平台,通过不同工况下样机定子绕组的温升试验验证串激电机三维流固耦合传热模型的合理性。在模型验证的基础上,分析了风冷系统流场和温度场的分布规律,为结构优化设计指导方向。此外,从降耗设计的角度出发,研究了风冷系统中后端离心风轮对电机内流场与温度场的影响。仿真结果表明,内部导风轮的设置改善了气流流动,能使定子绕组平均温升降低了3.3℃。     

新型高效低谐波绕组设计

介绍一种新型高效低谐波绕组,初步分析了该绕组磁势谐波的特点。采用有限元方法进行电磁场分析,表明新型高效低谐波绕组电机可以有效降低电机谐波,改善电机磁场分布。通过样机制造和电机试验,证实了新型高效低谐波绕组电机杂散损耗大幅度减小,电机温升显著降低。     

车用液冷机壳电机定子绕组热性能直接设计法

电动汽车驱动电机极力追求高密度轻量小型化,不断推进电机的冷却散热与热传导技术的进步与发展。为此,开展车用驱动电机的电-磁-热一体化设计方法研究,通过构建一种工程化定子热路模型提出了定子绕组热性能直接设计法及其关键热参数,并直接融入电磁设计中,强化热性能设计的同时也弥补了传统电磁设计热负荷AJ值评估热性能的缺陷。通过快速评估电机的热传导能力和绕组温升,可评估比较不同设计方案的热性能,得到电-磁-热一体化设计的最佳解决方案,从而提升电机持续运行的输出转矩。采用定子绕组热性能直接设计法,改进设计了一台液冷机壳车用永磁同步驱动电机样机,显著降低了定子绕组温升。样机温升试验验证了定子绕组热性能直接设计法及其关键热参数评估热性能的有效性。     

铜转子三相异步电动机温度场流场耦合分析

研发了一台应用在石油顶驱钻井设备的强迫风冷铜转子三相异步电机,首创了无机座设计、定子铁心轭部开通风孔、定子绕组端部环氧树脂密封、采用焊接铜条鼠笼转子等关键技术,满足了电机在频繁起停、过载、盐雾等工况下,对电机温升的苛刻要求。建立了温度场流场流固耦合模型,分析了电机额定负载工况下的各零件稳态温度分布以及瞬态温度随时间变化趋势。仿真计算和温升试验结果表明,沿电机的轴线方向,中后段位置温度较高,没有局部过热点。试验验证了建立的温度场流场耦合模型和仿真结果的合理性,温升满足电机H级要求。在耦合模型的基础上,分析了风道入口压力和定子铁心通风孔径变化对电机温升的影响,为改进电机冷却结构提供理论基础。     

轴向复合导线的应用与效果验证

研究了绕组端部漏磁通的特点,提出了横向漏磁通增大引起涡流损耗增加的解决办法,介绍了轴向复合导线在降低绕组端部横向涡流损耗的作用,并通过模拟仿真及产品样机试验进行了验证.     

永磁同步牵引电机绕组最高温升抑制方法研究

高功率密度导致的高温升一直是电机设计的难点,而永磁同步牵引电机体最高温升一般出现在绕组端部区域,影响绝缘的寿命和可靠性。现结合理论分析、数值仿真和试验验证的方法,分析了两种常见的降低电机最高温升方法的机理和效果。研究发现:减小绕组端部伸出长度和安装内部空间扰流结构都可以降低电机绕组最高温升;减小绕组端部伸出长度受限于工艺和制造水平,效果有限;在转子上安装同轴风扇或者扰流叶片,强化内部气流循环,对于降低绕组最高温升效果更显著。以上方法具有工程实用性,可以应用并指导电机设计。     

小型异步电机模态计算与试验分析

以一台1.1k W小型异步电机为样机,采用锤击法进行模态试验,试验对象分别为不带绕组的定子,带有未浸漆绕组的定子,带有浸漆绕组的定子,带有去掉端部绕组的定子以及整机,同时保证所有试验模型的定子均为同一个定子。利用锤击模态试验测得的加速度频响函数的幅值和相位对定子径向二阶固有频率进行了判定。基于试验结果分析了绕组浸漆前后定子固有频率的变化以及端部绕组对定子固有频率的影响。用数值法分别计算了不带绕组定子及去掉端部绕组定子的模态;同时建立了试验样机的三维全域有限元计算模型,并且在转子和轴承连接处施加了约束条件,充分考虑了转子对电机模态的影响,计算与试验结果进行了比较。最后讨论了转子、端盖和机壳对电机定子模态的作用。     

新能源汽车灌封电机温度特性研究

新能源汽车用电机对大小及质量的要求严格,具有功率密度高、质量轻、体积小、内部结构紧凑等特点,故不可避免会产生较大的散热压力,因此带水套的液冷电机成为主流形式。如何建立电机内部与壳体之间高效的导热通道,是限制电机性能的重要问题之一。运用电机灌封技术在定子槽内绕组以及端部绕组处填充热导率相对较高的灌封胶,以提高绕组的导热效率。利用流体仿真的方法对灌封后的电机流场以及温度场进行研究,与未灌封电机对比,利用现有的试验平台,对仿真结果进行验证。结果表明:电机灌封后有效的改善了端部绕组以及槽内绕组的散热条件,降低了端部与槽内的温度梯度,电机绕组的最高温度下降了22 K,效果较为显著。     

车用永磁电机在不同工况下的温升分析

针对内置式永磁驱动电机功率密度高、工作环境差、体积和散热面积小而引起的绕组易烧损、磁钢易退磁等问题,分析了车用永磁驱动电机损耗随工况的变化规律以及损耗分布情况,并利用有限元计算软件,建立内置式永磁驱动电机的3-D流固耦合有限元模型,计算分析了电机在不同运行工况下的温升大小和分布情况。制造了实验样机,实验测试了样机在额定工况下的绕组和磁钢温升,并与仿真结果对比,验证了有限元仿真的准确性。     

多相圈式绕组电机的定子端部漏感计算

建立了圈式绕组感应电机定子端部的空间模型。以Biot-Savart定律为基础,通过剖分线圈的端部面积,推导了定子绕组为圈式时的多相电机的端部互漏感计算公式。利用Matlab编写了相应的计算程序,计算出了某型样机的定子线圈端部互电感。结合回路电流分析法,计算了样机在不同短距系数下的定子相漏感,并对计算结果进行了分析与验证。     

磁性槽楔对双馈异步风力发电机性能的影响

使用磁性槽楔可以降低电机损耗,提高电机运行效率,有效改善绕组温升。以1.5 MW双馈异步风力发电机为对象建立模型,对电机气隙磁密进行了仿真,并通过型式试验对仿真结果进行验证。结果表明:使用磁性槽楔后,风力发电机的气隙磁密分布得到一定程度的改善,脉振幅值减小了约16.3%;电机的空载附加损耗降低了27.25%,绕组温升下降了8.3 K,电机运行效率提高了0.4%。     

50MW补偿脉冲发电机的设计与优化

为深化补偿脉冲发电机有关机理、工艺和外围系统配合的研究,研制了一台额定转速为8000r/min的50MW全被动补偿脉冲发电机,并介绍了其中关键材料包括屏蔽筒和转轴等的选择。在理论计算和仿真分析的基础上设计了电机励磁回路以及电枢绕组,提出了一种新的电枢绕组端部屏蔽方法即采用内外两个铝环紧固绕组端部,在实现端部屏蔽的基础上还增加了端部强度,在比较了两种不同屏蔽措施的基础上提出了端部漏感的简化计算方式,并通过理论分析和仿真验证了端部屏蔽可以进一步减小电枢绕组的放电电感。最后通过分别计算补偿电机直线部分的电感和端部漏感,比较了不同设计参数下补偿电机内电感,对电枢绕组进行了优化设计,提高了补偿电机峰值功率密度。理论分析和仿真证明了所设计电机的参数及其运行可靠性可以达到设计要求。     

防电晕结构及材料参数对电机定子线棒性能的影响

对高压电机定子线棒防晕结构采用不同参数的防晕材料进行试验研究。结果表明:定子线棒在高压交流耐压试验时,线棒端部防晕层起晕电压及温升与防晕材料电阻率有很大关系;温升的高低对线棒主绝缘击穿水平有很大影响。经过大量试验给出了6.3～27kV高压电机定子线棒端部防晕结构采用的防晕材料参数最佳范围,确保电机定子线棒及绕组安全可靠。