基于PCB绕组的盘式电机温度场分析与冷却方式的研究

摘要

盘式永磁电机是近几年来新发展起来的高性能新型电机，在国防事业、航天探测、机电一体化技术等多种社会建设领域都得到了广泛应用。本文研究的盘式永磁同步电机，定子绕组采用印制电路板(printed circuit board，PCB)结构，永磁体材料采用具有高矫顽力特性的钕铁硼。PCB结构的绕组线圈进一步缩短了电机轴向尺寸，使结构更加紧凑，同时进一步减轻了电机重量，提高效率，功率密度得到很大提高。但盘式电机由于体积小且功率密度高，相应地，热性能成为了衡量电机性能的一个重要指标。较高的电机温升不但影响使用寿命，而且会破坏绝缘材料，对电机的安全可靠运行产生影响。因此，有必要对基于PCB绕组的盘式永磁电机的温度场进行分析与计算，并研究合适的冷却方式。
　　本文采用了有限元法对基于PCB绕组的样机进行温度场计算与仿真分析。文中首先建立了三维温度场数学计算模型，然后根据电磁场分布分析计算了热源，根据传热学理论等效处理了定转子间及转子与机壳间复杂的传热过程，通过仿真分析，得出了电机的各部件温度场分布结果。与样机实验结果相对比，验证了所建模型的合理性和计算结果的准确性。最后讨论了影响电机温升的主要因素，并仿真分析了机壳与PCB定子接触面积的变化对电机温升的影响。
　　为了解决样机的过热问题，本文通过适当增大机壳与PCB定子端部的接触面积实现了降低电机温升的目的。本文分析研究的基于PCB绕组的盘式电机温度场，为此种电机的优化设计和冷却方式的研究提供了一定的参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 盘式永磁电机的研究概况

1．1．1 盘式永磁电机的国内外发展现状

1．1．2 盘式无铁心永磁电机的研究概况

1．2 温升对电机材料性能的影响

1．2．1 温升对永磁体性能的影响

1．2．2 温升对PCB性能的影响

1．3 本课题研究的目的和意义

1．4 本文的主要研究内容

第二章 基于PCB绕组的盘式电机结构和温度场计算方法

2．1 盘式永磁电机的基本结构特点

2．2 基于PCB绕组的盘式永磁同步电机

2．2．1 磁钢结构——Halbach阵列的概念

2．2．2 PCB结构的电枢绕组

2．2．3 基于PCB绕组的盘式永磁电机的基本结构

2．3 温度场计算方法

第三章 基于传热学理论的PCB绕组盘式电机热源计算

3．1 热传导的基本理论

3．1．1 热量传递的基本形式

3．1．2 热传导定律

3．2 电机损耗及热源计算

3．2．1 绕组铜耗

3．2．2 绕组涡流损耗

3．2．3 永磁体涡流损耗

3．2．4 机械损耗

第四章 基于PCB绕组的盘式电机温度场分析与计算

4．1 三维温度场模型的建立

4．2 温度场分析中物理量的确定

4．2．1 电机材料的导热系数

4．2．2 各部件表面散热系数

4．2．3 边界条件的设定

4．3 温度场的计算与分析

4．4 基于PCB绕组的盘式电机温升影响因素分析

4．4．1 影响因素

4．4．2 机壳与PCB定子接触面积的变化对温升的影响

第五章 温升实验及结果分析

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢