基于有限公式法和流固耦合的永磁牵引电动机冷却系统设计与分析

稀土永磁电机由于其高效、高功率密度的特点,在轨道交通牵引系统的设计中受到了广泛和密切的关注。由于其全封闭式结构,牵引电动机的负载能力主要受限于冷却系统的散热能力。建立了一台永磁牵引电动机的全封闭式自循环空-空冷却系统,通过对参数散热敏感性的分析,确定了适宜的冷却结构参数范围。针对该冷却结构,应用有限公式法进行三维温度场数值计算,确定了散热系统的结构参数,并用流固耦合仿真验算了计算结果。     

永磁电机温度场的改进有限公式迭代算法

非晶合金材料由于其高导磁、低损耗的特点,在电机的研究、开发中受到了广泛和密切的关注。由于非晶合金电机常常运行在变频控制下且工作频率往往较高,电机内谐波含量大、发热严重。考虑到电机损耗、材料导热性能、散热面对流传热性能受温度分布的影响,将温度场计算程序与一套双重循环迭代系统相嵌套,计算7k W盘式非晶合金永磁电机的三维温度分布。通过系统内循环确保电机腔内空气温度的准确选取;通过外循环计及温度分布对损耗、导热系数以及对流传热系数的影响。从有限公式迭代算法的基本原理出发,通过对温度场数学模型的改进,简化循环中对导热系数修正的计算过程,降低每步迭代的计算量。通过对比迭代算法算得的温升分布和电机温升实验结果,验证了模型的合理性和计算结果的准确性,为盘式非晶合金永磁电机的温度分析计算提供了一种较为精确、快捷的参考方法。     

不同数值方法在自扇冷永磁同步电机三维热分析中的应用

为研究不同数值计算方法在电机三维温度场分析中的应用,以一台11kW、1 500r/min全封闭自扇冷异步起动永磁同步电机为例,分别基于有限元法、有限体积法和有限公式法进行温度场仿真,并在多套剖分网格仿真计算的基础上,对比分析同一网格下应用有限公式法和有限元法的永磁同步电机三维温度场计算结果。同时,分析有限公式法在不同网格数下的计算收敛性。最后,对比有限公式法、有限元法温度场计算结果与有限体积法流固耦合传热计算结果的区别,并以试验值对比验证了仿真计算的准确性。     

12 kV真空断路器永磁直线电机操动机构特性分析

为解决12 kV真空断路器(Vacuum Circuit Breaker, VCB)传统操动机构和旋转电机操动机构结构复杂、可靠性低、动作分散性大以及有槽直线电机操动机构定位力引起推力脉动、振动、噪声及速度控制退化等而导致其难以精确分、合闸的问题,提出无槽圆筒形永磁直线同步电机操动机构。根据12 kV真空断路器分、合闸特性要求,对无槽圆筒形永磁直线同步电机(Slotless Tubular Permanent Magnet Linear Synchronous Motor, STPMLSM)的结构和参数进行设计,推导出其数学模型。利用有限元法对该电机操动机构的静、动态特性进行仿真分析,得到启动过程中电磁推力与时间的关系,分合闸过程中断路器动触头行程与时间、速度与时间的关系。结果表明:所设计的电机操动机构结构参数能够满足断路器分合闸特性要求,且推力波动得到有效抑制,为各电压等级断路器采用此类电机操动机构提供可靠依据。     

基于改进神经网络和遗传算法的真空灭弧室优化设计北大核心CSCD

提出一种基于人工神经网络和遗传算法相结合的电器电场均匀度优化设计方法,以12 kV真空灭弧室为研究对象,对其内部电场进行场影响因素分析与电极型面优化,以实现均匀场设计。建立了以悬浮屏蔽电极长度和端部型面曲率、动静触头电极端部曲率为输入变量,灭弧室内部电场均匀度为输出变量的改进神经网络模型结构;并以灭弧室内部电场均匀度为优化目标,采用遗传算法对灭弧室结构参数进行寻优,以提高灭弧室静态绝缘性能。     

基于FCS-MPC的五桥臂UPQC电能质量补偿策略研究

针对容错模式下的统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner, UPQC),提出了一种五桥臂形式的新型拓扑结构,实现故障下的电能质量扰动综合补偿。在此基础上,对串联变流器和并联变流器进行统一建模,提出了一种基于有限集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control, FCS-MPC)的五桥臂UPQC控制策略。相比传统线性控制策略,所提算法构建了统一的预测模型以及整合优化的价值函数,实现串联变流器与并联变流器的协同控制,提高了两侧变流器的补偿精度、暂态性能以及响应速度,有效降低了控制算法的复杂度和参数调节难度,并具有较高的参数鲁棒性。仿真结果验证了所提算法的可行性和有效性。     

基于NSPSO的直流真空断路器换流回路设计北大核心CSCD

对于机械式直流真空断路器(direct current vacuum circuit break,DC VCB),需引入换流回路制造人工电流零点,以实现故障开断。以30 kV/8 kA直流断路器用换流回路为研究对象,计及换流电感、换流电容以及换流电容预充电电压的共同作用,采用快速非支配排序粒子群多目标优化算法(non-dominated particle swarm optimization,NSPSO),考虑弧后鞘层厚度和真空间隙击穿距离之间的竞争关系,以换流电容值和其预充电电压尽可能同时达到最小值为设计目标,对换流回路参数群组进行多目标设计,研究换流回路的拓扑设计与参数选取对换流频率、零区电流与电压变化率的作用与影响。研究表明,相较于传统粒子群算法(particle swarm optimization,PSO)单目标优化仿真结果,采用此多目标设计有利于解决直流断路器开断性能与设计成本之间的矛盾关系。     

基于有限公式法的水冷永磁同步电机三维温度场分析

有限公式法是一种直接从物理规律出发、借助定义在两嵌套网格几何元素上的全局变量构造离散方程的新型数值计算方法。在建立有限公式法温度场数学模型的基础上,本文讨论了基于映射网格的对流散热边界处理及其编程实现,并给出了有限公式法温度场模块化编程的基本思路。最后,以对一台20k W水冷永磁同步电机三维温度场的分析,研究了冷却水流速、冷却水温与电机温升分布的规律;并以电机温升试验值、同一网格下的有限元法计算值验证了所编制程序计算的准确性、可靠性。     

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。     

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。