高速電機有體積小,功率密度大的特點,同時功率因數(shù)高,轉(zhuǎn)速變化范圍大,可靠性高。由于這些優(yōu)點,高速電機在航空航天,精密制造等領(lǐng)域有著良好的發(fā)展前景。但電機損耗密度大,溫升高,這成為了限制其使用范圍。轉(zhuǎn)子側(cè)散熱條件惡劣,永磁體在高溫下極易產(chǎn)生不可逆的退磁,影響高速電機的正常工作。高速電機的轉(zhuǎn)子損耗主要來源于轉(zhuǎn)子渦流損耗、風(fēng)摩損耗和軸承的機械損耗。本文以空氣軸承高速電機為研究對象,建立了空氣軸承高速電機的流體場模型,利用流體場模型的分析計算高速電機定轉(zhuǎn)子氣隙的風(fēng)摩損耗以及軸承內(nèi)的風(fēng)摩損耗,并分析了電機結(jié)構(gòu)以及流場邊界條件對高速電機風(fēng)摩損耗的影響,并通過降速實驗進行了驗證;通過建立轉(zhuǎn)子渦流損耗模型,分析了轉(zhuǎn)子的護套形式以及材料對轉(zhuǎn)子損耗的影響;基于傳熱學(xué)的理論,建立了電機的溫度場模型,分析了流體流態(tài)對氣隙內(nèi)散熱系數(shù)的影響,以及不同護套材料下電機溫度場的不同。首先,分析了高速電機中流體的控制方程。然后根據(jù)空氣軸承高速電機流場的特點,對其中的流體場流態(tài)進行分析,并根據(jù)不同流場作用機制,將定轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)風(fēng)摩損耗分為切向與軸向兩部分。通過計算流體力學(xué)的方法對風(fēng)摩損耗進行計算分析,將其結(jié)果與現(xiàn)有的風(fēng)摩損耗經(jīng)驗公式作比較,結(jié)果相一致。其次,分析得到了定轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速,外徑,氣隙長度以及氣隙邊界條件對風(fēng)摩損耗的影響規(guī)律。然后,根據(jù)流場模型,計算了空氣軸承內(nèi)不同偏心率下的壓力速度分布,研究了徑向軸承和止推軸承內(nèi)風(fēng)摩損耗的影響因素。而后,通過降速實驗分離得到電機內(nèi)的風(fēng)摩損耗,與計算值相比較,分析兩者間的誤差驗證計算模型的準(zhǔn)確。而后,對所要研究的電機中轉(zhuǎn)子渦流損耗進行分析。建立了永磁電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的計算模型,分析了轉(zhuǎn)子側(cè)諧波的影響因素。并研究了載波比,轉(zhuǎn)子分塊,護套形式、材料以及氣隙長度對轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。最后,基于流體場的分析結(jié)果以及損耗的計算對高速電機中的溫度場進行研究。分析了電機內(nèi)各部分散熱系數(shù)的計算,對定轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)的轉(zhuǎn)子表面散熱系數(shù)進行研究分析。在電機中建立流體場與溫度場耦合的模型,研究了護套材料對電機溫度場的影響。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TM355
【部分圖文】：

a) Westwind 空氣軸承高速電機 b) Loadpoiat 空氣軸承高速電機圖 1-1 空氣軸承高速電機目前轉(zhuǎn)子渦流損耗有這樣兩種方法可以計算，一是針對某種特定的電機轉(zhuǎn)子域的材料以及物理屬性推導(dǎo)渦流損耗的解析表達式，二是采用有限元法轉(zhuǎn)子渦流密度，進而得到總的轉(zhuǎn)子渦流損耗。高速永磁電機轉(zhuǎn)子磁極多采用釹鐵硼這樣的高能量稀土磁體，這些永磁著較高的矯頑力和剩磁，但是導(dǎo)電率較高帶來了轉(zhuǎn)子損耗大，并且這類永磁體穩(wěn)定性較差，與鐵氧體相比對工作溫度的要求更高。再加上高速電機中散熱條好，這類電機容易引發(fā)永磁體退磁，并進一步影響電機的正常工作，惡化電機能。因而要在設(shè)計時避免出現(xiàn)轉(zhuǎn)子溫升過高，得到準(zhǔn)確的永磁體渦流損耗。另由于高速電機中較高的轉(zhuǎn)速，而永磁體無法承受這樣的離心應(yīng)力，需要護套以保護永磁體。護套的材料一般采用不導(dǎo)磁合金鋼或者碳纖維。不導(dǎo)磁合套由于電導(dǎo)率較高，護套內(nèi)會形成額外的渦流損耗；而碳纖維綁扎護套中，雖導(dǎo)率很小，對轉(zhuǎn)子渦流損耗沒有影響，但導(dǎo)熱性較差，惡化了轉(zhuǎn)子的散熱性能為了準(zhǔn)確計算轉(zhuǎn)子渦流損耗，國內(nèi)外的學(xué)者嘗試通過建立電機的電磁場理想化邊界條件，利用解析的方法來計算轉(zhuǎn)子渦流損耗。

內(nèi)容基于靜壓軸承形式的高速電機。本章對電機內(nèi)的流場的風(fēng)摩損耗以及影響規(guī)律。的內(nèi)容可以知道電機的流場內(nèi)風(fēng)摩損耗包含定轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)損耗，而定轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)的風(fēng)摩損耗又包括有軸向流動產(chǎn)生形成的損耗。這樣，總的風(fēng)摩損耗可以表示為：wind r jy zt axP P P P P定轉(zhuǎn)子氣隙內(nèi)切向的風(fēng)摩損耗（W）；兩個徑向靜壓軸承內(nèi)的風(fēng)摩損耗（W）；靜壓止推軸承內(nèi)的風(fēng)摩損耗（W）；氣隙內(nèi)軸向流動的風(fēng)摩損耗（W）。軸承內(nèi)流場與氣隙內(nèi)流場結(jié)構(gòu)以及具體的邊界條件差異較，氣隙長度在毫米級，而在靜壓徑向軸承和止推軸承中，氣別，且靜壓軸承內(nèi)流體壓力大于大氣壓強，所以流體的流動因而分別建立定轉(zhuǎn)子氣隙，徑向軸承以及止推軸承的流體摩損耗影響規(guī)律。 3-3 為針對不同的流場環(huán)境建立的模型。

圖 3-2 徑向軸承流場模型 圖 3-3 止推軸承流場模型表 3-1 模型的尺寸模型標(biāo)號 半徑 r（mm） 氣隙長度 （mm）1 22.5 0.52 32.5 0.53 52.5 0.54 72.5 0.55 92.5 0.56 22.5 0.257 22.5 0.758 22.5 13.2.1 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速對風(fēng)摩損耗的影響對這些模型不同轉(zhuǎn)速下進行仿真求解其風(fēng)摩損耗。圖 3-4 和 3-5 顯示了不同速下模型中的風(fēng)摩損耗。圖中可以看到速度越高，壁面剪切力越大，轉(zhuǎn)子表面摩系數(shù)越大，風(fēng)摩損耗隨之提高。。25022.5mm

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