【摘要】：永磁同步電機憑借高功率密度、高效率以及高功率因數(shù)等優(yōu)點現(xiàn)已成為多領域的主流選擇,尤其在驅(qū)動系統(tǒng)中的應用頗為廣泛。隨著驅(qū)動系統(tǒng)性能指標的逐步提高,對永磁同步電機的功率密度要求也越來越高。功率密度的提高一方面需要通過更優(yōu)的電磁設計實現(xiàn),現(xiàn)階段已有大量的文獻對高功率密度永磁同步電機的電磁設計展開研究并取得豐碩成果;另一方面需要從電機散熱的角度入手,通過提升電機散熱能力來實現(xiàn)。然而,隨著電機功率密度的不斷提高,現(xiàn)有散熱方案越來越難以滿足高功率密度永磁同步電機的散熱需求。針對上述問題,本文借鑒大型發(fā)電機的散熱理念,結合永磁同步電機的特點,提出永磁同步電機的水內(nèi)冷散熱方案,即在定子槽內(nèi)放置冷卻銅管,使冷卻水道對繞組進行直接冷卻以提高熱交換效率。這種散熱方案在大電機領域中的運用已較為成熟,但應用于相對小容量的永磁同步電機中卻有諸多問題值得深入研究。主要問題在于如何平衡散熱與電磁性能,為此需要在水內(nèi)冷永磁同步電機的設計階段,針對不同設計方案對電機溫升進行快速且準確的計算,使電機既不造成材料浪費,也不發(fā)生絕緣破壞和高溫失磁。本文正是針對水內(nèi)冷永磁同步電機的冷卻系統(tǒng)設計及溫升計算展開研究,為進一步提升永磁同步電機功率密度奠定基礎。首先,本文參考永磁同步電機電磁設計的一般方法,對一臺高功率密度外轉(zhuǎn)子永磁同步電機進行電磁設計和損耗分析計算。通過電磁場有限元進行電機空載和負載仿真分析,對比了不同供電方式下的電機損耗�？蛰d和負載仿真結果表明電磁設計方案能夠滿足電機力能指標;損耗分析計算表明由逆變器供電產(chǎn)生的損耗明顯高于正弦供電下的損耗,為后續(xù)章節(jié)的溫升分析奠定基礎。其次,本文對槽內(nèi)水冷管道的設計和管壁渦流損耗的抑制方法進行研究。提出水道連接的原則,研究并選取合理的水道連接方案,在此基礎上,對銅管管壁渦流損耗進行研究,確定銅管在槽內(nèi)的擺放位置。結果表明,針對樣機所提出的不對稱并聯(lián)水道連接方案可以消除銅管間的環(huán)流,且銅管置于槽底使管壁渦流損耗很小,從而實現(xiàn)水冷系統(tǒng)對電機電磁性能基本無影響,保證水內(nèi)冷系統(tǒng)應用于永磁同步電機中的可行性。然后,結合有限體積法與等效熱網(wǎng)絡法,構建樣機熱路計算模型并進行模型驗證和溫升分析。首先使用計算流體力學分析軟件對樣機的氣隙流體場、銅管內(nèi)部冷卻水流體場進行了仿真分析,針對樣機修正對流換熱系數(shù)經(jīng)驗公式;然后基于傳熱學基本理論,建立反應徑向、軸向和周向溫度分布的等效熱網(wǎng)絡,展開熱穩(wěn)態(tài)和熱暫態(tài)分析,并與水套冷卻的散熱效果進行對比。結果表明,所設計的水冷系統(tǒng)不僅能夠保證電機額定工況下長期運行,還能滿足電機更長時間過載運行的散熱需求。相對于水套冷卻,水內(nèi)冷方案具有明顯優(yōu)勢。最后,在驗證等效熱網(wǎng)絡準確性的基礎上,使用所構建的等效熱網(wǎng)絡對水道尺寸進行快速優(yōu)化設計,并研究水道端部增設散熱翅對電機溫升的影響。結果表明最優(yōu)管徑能夠最大程度降低端部繞組溫升,平衡散熱和電磁性能;水道端部增設散熱翅進一步降低電機端部繞組的溫升,對轉(zhuǎn)子側的散熱效果提升更加顯著。熱暫態(tài)分析表明端部增設散熱翅可進一步延長電機短時過載連續(xù)運行時間。兩種優(yōu)化設計均建立在等效熱網(wǎng)絡快速計算基礎之上,一方面體現(xiàn)了本文所建立的水內(nèi)冷永磁同步電機等效熱網(wǎng)絡對電機溫升分析具有極大應用價值;另一方面也為水內(nèi)冷系統(tǒng)的設計提供指導,對提高永磁體同步電機功率密度具有重要意義。
【學位授予單位】：重慶大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM341
【圖文】：

1 緒 論槽內(nèi)放置環(huán)氧樹脂冷卻水道的散熱方案[8]，使冷卻水道直接冷卻繞組，同時使電機脫離冷卻水套，結構更加緊湊，如圖 1.2 所示，結果表明槽內(nèi)放置冷卻水道對于提高電機功率密度具有顯著效果，然而，該設計中的槽內(nèi)冷卻水道使用的樹脂涂敷工藝成本較高，且樹脂材料導熱性能差，在管道壁面上產(chǎn)生了較大的溫差，有較大的改進空間。

圖 2.3 有限元仿真模型ig. 2.3 Finite element simulation model of mo析機的重要性能參數(shù)，其波形正弦度的性。在最高轉(zhuǎn)速（4100rpm）反拖下含量如圖 2.4 所示，可以看出反電勢這是由于分數(shù)槽繞組使齒諧波次數(shù) 2m奇次諧波磁場，從而避免了反電勢中降低諧波磁場的繞組因數(shù)，對普通高反電勢中的三諧諧波含量很低，從而速運行時的平穩(wěn)性[35]。

（a）空載線反電勢波形 （b）線反電勢諧波組圖 2.5 最高轉(zhuǎn)速（4100rpm）空載線反電勢分析alysis of no-load line back electromotive force at maximum speed仿真分析機性能滿足技術要求，對電機進行負載仿真分析。電/電流的控制策略，在恒功率區(qū)使用弱磁控制。不同轉(zhuǎn)圖 2.6 所示�？梢钥闯觯~定工況下的電流有效值為A 的正弦電流激勵下，達到峰值轉(zhuǎn)矩 2250 N·m。

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 張建忠;姜永將;;基于等效熱網(wǎng)絡法的定頻雙轉(zhuǎn)子永磁風力發(fā)電機的熱分析[J];電工技術學報;2015年02期

2 丁杰;張平;李益豐;楊金霞;;永磁同步電機的三維流場溫度場耦合計算[J];大功率變流技術;2014年06期

3 丁樹業(yè);郭保成;馮海軍;章藝;王海濤;郭長光;;變頻控制下永磁同步電機溫度場分析[J];中國電機工程學報;2014年09期

4 張琪;魯茜睿;黃蘇融;張俊;;多領域協(xié)同仿真的高密度永磁電機溫升計算[J];中國電機工程學報;2014年12期

5 溫嘉斌;楊可新;;奇偶數(shù)槽對永磁無刷直流電機性能的影響[J];防爆電機;2012年06期

6 符敏利;何思源;李益豐;彭俊;;地鐵車輛用JD155永磁同步牽引電動機的設計[J];大功率變流技術;2012年03期

7 趙娟;黃開勝;郭展鵬;梁維;許寧;;外轉(zhuǎn)子永磁同步電動機計算機輔助設計[J];電機技術;2011年02期

8 湯平華;漆亞梅;黃國輝;李鐵才;;定子無鐵心飛輪電機繞組渦流損耗分析[J];電工技術學報;2010年03期

9 溫嘉斌;許明宇;;防爆型水冷電機內(nèi)換熱與溫度場計算[J];電機與控制學報;2009年03期

10 郭偉;張承寧;;車用永磁同步電機的鐵耗與瞬態(tài)溫升分析[J];電機與控制學報;2009年01期

本文編號：2770833