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。     

高速永磁屏蔽电机摩擦损耗分析与计算

基于3D流体场模型和有限元体积法，针对高速永磁屏蔽电机进行转子表面介质摩擦损耗计算和敏感性因素分析，研究转子转速、介质轴向流速、屏蔽套表面粗糙度对气隙内介质摩擦损耗的影响规律。基于一台额定转速36 000 r/min的电机结构，对半径比为0.896～0.930的窄气隙泰勒-库埃特-泊肃叶（TCP）流进行仿真分析，得到摩擦阻力系数与水轴向流速、转子转速的关系，并采用非线性拟合的方法得出不同轴向流速和转子转速的摩擦损耗系数经验公式。随后，搭建试验平台测量摩擦损耗，对比试验测得与仿真求得的摩擦损耗大小以及数值仿真与经验公式计算的摩擦损耗系数，误差在5%范围内，满足工程要求，验证了数值仿真分析和经验公式的准确性。     

高速永磁电机转子空气摩擦损耗研究

高速电机旋转速度每分钟数万转甚至高达数十万转,其转子表面的空气摩擦损耗要比普通电机高得多,在总损耗中占有较大比例。转子表面的空气摩擦损耗与电机转速、气隙结构及转子表面粗糙度等多种因素有关,很难通过理论分析和解析方法准确计算。基于3D流体场模型,对高速永磁电机的转子空气摩擦损耗与电机转子转速、表面粗糙度及轴向风速的关系进行了分析,并针对一台额定转速60000r/min的磁悬浮转子高速永磁电机,进行了转子空气摩擦损耗的计算及测试方法研究。通过电机空载试验,根据转子空气摩擦损耗和定子铁耗与电机转速之间的关系,可将空气摩擦损耗从总损耗中分离出来。实验结果和计算值一致,表明基于流体场分析的高速电机转子空气摩擦损耗计算方法是有效的。     

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。     

高速永磁爪极电机铁耗与空气摩擦损耗计算

高速电机由于采用高频电源供电,铁心损耗较常规电机突出,且高速旋转引起的空气摩擦损耗亦非常严重。此外爪极电机磁路结构复杂且其磁通呈三维分布,因此需要考虑三维磁场、高频谐波和高速旋转等因素,针对该种高速电机损耗计算模型进行研究。首先通过三维有限元电磁仿真软件对该种电机的磁场分布特点进行分析;然后采用三维正交交变磁化近似等效旋转磁化建立铁耗计算模型,并考虑高频谐波对其影响,通过与有限元软件计算结果对比,验证了计算模型的准确性;此外针对转子转速、转子表面光滑度、轴向风速等因素对空气摩擦损耗的影响进行分析;最后通过实验验证了铁心损耗和空气摩擦损耗计算方法的准确性。     

基于等效热网络法和CFD法高速永磁同步电机热计算研究

针对高速永磁同步电机的温度场计算准确性问题,采用等效热网络法和流固耦合的数值方法,对一台水冷非晶合金定子电机进行了热计算。建立了电机的流固耦合模型,考虑电机内空气温度分布不均匀对密度、比热容、动力粘度以及导热系数的影响。基于最小二乘法原理,得到了空气物理属性随温度变化的表达式,对电机内空气施加变温物理属性,并与恒温下电机内空气恒定物理属性的温度场计算结果和转子外表面的空气摩擦损耗计算结果进行对比分析。结果表明：对机内空气施加变温物理属性后,转子高温区域面积增加,温升计算值更接近实际,并且转子外表面空气摩擦损耗降低了4.0%。最后,搭建了样机温升实验平台进行温升实验,验证了等效热网络和流固耦合法计算结果的准确性。     

基于精确子域模型的带护套转子高速永磁电机转子涡流损耗解析方法

现有二维精确子域法在计算转子涡流损耗时,为了便于系数矩阵求解,通常忽略涡流反作用的影响。对于高速永磁电机,电枢电流中含有大量的时间谐波,涡流反作用对转子损耗影响大,忽略涡流反作用会严重影响计算精度。该文基于精确子域法,通过在有源区域内求解包含时间导数及导体运动速度的扩散方程,建立了一个考虑涡流反作用和各次时空谐波的高速永磁同步电机转子涡流损耗解析模型。为提高计算精度,该模型对槽口建立方程考虑槽口对磁场分布的影响。为提高计算速度,利用电机的周期性,建立周期性边界条件。通过该解析模型研究了不同变频器开关频率及气隙长度下,各次时空谐波在转子上产生的涡流损耗变化规律。通过对一台7.5kW非晶合金高速永磁电机进行损耗分离实验,将解析结果与有限元、实验结果对比,证明了所提出解析模型的正确性。     

高压湿式潜水电机水摩擦损耗分析

高压湿式潜水电机转子在水中旋转,产生的水摩擦损耗比普通电机的空气摩擦损耗高得多,在电机总损耗中占有较大的比重。电机转速、气隙结构及转子表面的粗糙度都影响电机的水摩擦损耗,准确计算水摩擦损耗相当困难。以6 kV-3 150 kW-4P电机为例,利用流体力学理论和摩擦学原理,建立了流体场模型,基于该模型对影响水摩擦损耗的因素进行了分析。将计算结果与利用空载试验得到的水摩擦损耗进行比对,证明了该方法的正确性。     

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。     

LNG泵用低温高速永磁电机三维电磁场与涡流损耗的分析计算

针对液化天然气(liquefied natural gas,LNG)泵用低温高速永磁电机换相频率高、损耗大的问题,研究低温高速永磁电机三维电磁场与涡流损耗的分布特征及变化规律。结合电机材料低温电磁特性,构建电机三维全域瞬态电磁场-路耦合有限元数学模型,揭示低温高速永磁电机端部磁场的衰减规律。分析护套属性对永磁体涡流损耗的影响,探索低温与常温环境下永磁体涡流损耗的差异性,并进一步研究电流换相动态过渡过程永磁体与护套涡流电密的瞬时变化特性,得到转子瞬时涡流损耗的分布曲线,确定电机端部结构件中涡流电密及涡流路径的分布。分别从电磁参数、转子涡流损耗数值以及电磁转矩的角度对模型以及计算结果进行验证。