永磁同步电机温度场分析及冷却系统研究

摘要

由于永磁同步电机具有体积小、质量轻、功率密度高、形状和尺寸灵活多样等一系列优点，使其得到了广泛应用。随着工业技术发展，永磁电机的单机容量不断增加，内部损耗也随其增加，致使电机内部温升越来越高，直接影响电机的可靠运行。因此，对于电机温度场的分析计算及电机冷却系统的设计研究尤为重要。
　　本文主要用不同的温度场分析方法对不同冷却方式的两款永磁同步电机进行温度场分析，实现对不同冷却形式的永磁同步电机温度场的精确分析，并针对不同实际情况选择最为合适的温度场计算方法。
　　首先，以320kW自然冷却永磁同步发电机为例，用公式计算法和Ansoft Maxwell软件分析法对永磁同步电机的损耗进行分析计算，得到电机的损耗分布情况，尤其是针对永磁体涡流损耗的分析计算。基于传热学的基本理论，采用FEM对样机进行温度场分析，用ANSYS Workbench软件对样机电磁场、温度场进行耦合分析，得到样机温度场的分布情况。并通过对有无涡流损耗影响的样机温度场分布情况进行对比分析，验证永磁体涡流损耗的重要性。
　　其次，采用LPTN对样机进行温度场分析，根据电机各部位散热路径设置节点，建立能反映电机整体传热情况的热网络结构，由热传导和热对流计算公式计算各节点热阻，通过 MATLAB编写热平衡方程计算程序，计算电机内部各节点的温度。对样机进行温升测试，通过对FEM、LPTN和温升测试的结果进行对比可知，在误差允许范围内，LPTN和FEM的计算结果均正确。
　　最后，以100kW水冷永磁同步电动机为例，对其水冷系统进行分析设计。为了解决传统冷却结构在电机长期运行过程中容易出现漏液和散热不均的问题，提出一种新型冷却结构。以传热学和流体力学基本理论为基础，计算样机损耗发热和散热处于平衡状态时的水流量和流速。用CFD方法分析冷却介质的流动特性，并对样机进行流场和温度场耦合分析，得到样机的温度场分布情况。通过对比有无冷却结构样机温度场分布情况，验证水冷结构设计的合理性及实用性。

目录

声明

第1章 概述

1.1 选题背景及意义

1.2 永磁同步电机应用现状及发展趋势

1.3 国内外研究现状

1.4 研究问题及论文工作

第2章 永磁同步电机损耗分析

2.1 永磁同步电机定子铁耗分析

2.2 永磁同步电机定子铜耗分析

2.3 永磁同步电机永磁体涡流损耗分析

2.4 机械损耗分析

2.5 本章小结

第3章 永磁同步电机温度场有限元分析

3.1 热传递方式

3.2 导热微分方程及其边界条件

3.3 温度场参数计算

3.4 样机温度场计算模型

3.5 基于ANSYS Workbench样机温度场分析

3.6 本章小结

第4章 永磁同步电机温度场集总参数热网络法分析

4.1 集总参数热网络法简介

4.2 样机热网络模型

4.3 节点间热阻计算

4.4 样机温升结果对比

4.5 本章小结

第5章 永磁同步电机水冷系统分析

5.1流体力学基本理论

5.2 水冷结构分析

5.3 流场分析计算

5.4 样机温度分析

5.5 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

参考文献

致谢

个人简历、攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果