新型永磁电机热分析及其综合仿真平台的开发

摘要

永磁电机具有结构简单灵活、效率高、转矩密度高等优点，在电动汽车、风力发电等行业中的应用越来越广泛。但随着社会发展的需要，电机功率密度越来越大，温升问题也随之增加。温度的升高对永磁电机的影响主要表现在以下几个方面:温升使绕组阻值增大，导致铜耗增加，加剧电机的发热;加速电机绝缘材料的老化，增大电机短路故障的风险，缩短电机使用寿命;增大电机热变形、振动磨损以及振动噪声等;温升过高还会降低永磁体的磁性能，影响电机运行性能，严重的甚至会造成永磁体的不可逆退磁，使电机损坏。
　　本文基于有限元程序自动生成系统(FEPG)，建立了考虑各向异性导热的电机三维温度场有限元控制方程，允许多种材料的传热主轴与选取坐标系不一致时进行非主轴方向导热系数的坐标变换，采用复制接触热阻边界的坐标并增加相应节点的方式，考虑接触热阻对温度场分布的影响，避免了极小几何体实体建模网格剖分的困难及其可能带来的计算精度问题。在仅增加一个节点的基础上，通过修改边界单元的刚度矩阵，将气隙与定转子之间的对流换热代入有限元计算，并根据能量守恒原理建立了以电机定转子最小对称单元为模型的热分析模型，以一台三相磁通切换永磁(FSPM)电机为例，进行有限元温度场仿真和参数敏感性分析，证明了模型的准确性。
　　在此基础上使用C++Builder软件，结合前后处理的专业软件GID，开发了几何模型最小化，考虑各向异性导热和接触热阻的电机三维稳态温度场有限元综合仿真平台，适用性广泛，对电机的设计和优化具有实用价值。
　　最后，采用空心圆筒双T型热阻单元并结合立方体T型热阻单元的方法，对上述三相FSPM电机进行温度场建模分析，详细描述了每个单元的导热热阻以及边界的散热热阻的计算公式;根据能量守恒原理列出各节点的稳态温度场线性平衡方程，通过列主元高斯消去法进行求解，得到上述FSPM电机的主要部位的平均温度值，并与有限元法计算结果和实验结果进行比较，证明了该模型的准确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 温度场计算方法

1．2．2 温度场仿真软件

1．3 本文主要研究工作

第二章 传热学和计算流体力学基础理论

2．1 传热学原理

2．1．1 传热基本方式

2．1．2 导热微分方程

2．2 计算流体力学基础

2．2．1 概述

2．2．2 基本控制方程

2．3 本章小结

第三章 新型永磁电机温度场有限元分析及其仿真平台开发

3．1 有限元法概述

3．2 考虑各向异性导热的温度场控制方程

3．3 特殊边界条件的处理

3．3．1 接触热阻

3．3．2 气隙与定转子之间的对流换热

3．4 电机定转子最小对称模型

3．4．1 基本原理

3．4．2 验证算例

3．5 损耗计算

3．6 三相FSPM电机温度场建模和仿真

3．6．1 材料参数的计算

3．6．2 不同运行工况下的温度场仿真分析

3．7 参数敏感性分析

3．8 基于FEPG的温度场仿真平台开发

3．8．1 FEPG简介

3．8．2 仿真平台的开发

3．9 本章小结

第四章 等效热路法温度场建模和分析

4．1 等效热路法概述

4．1．1 引言

4．1．2 三维热路单元及其数学模型

4．2 FSPM电机热路法稳态温度场建模

4．2．1 热传导热阻和对流散热热阻

4．2．2 稳态温度场导热方程组

4．3 FSPM电机温度场分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士研究生期间研究成果