全空冷高压永磁同步电动机内流体与传热耦合场的计算与分析

摘要

大功率自起动高压永磁同步电动机具有高效高功率因数、起动转矩大、起动电流低、运行维护方便等多方面的优势，可以应用到国防、钢铁、冶金、电动汽车、舰船推动等行业。但如果转子没有相应的风路，定转子温度可能会相应升高，过高的转子温度使得永磁体工作性能下降，不但会影响到电机的运行性能和使用寿命，而且严重时候会导致永磁体退磁使电机无法正常工作，因此对该类型电机的流体场和温度场计算非常重要。
　　本文主要对大功率高压自起动永磁同步电动机在复杂通风结构下内部流体流动状态及温度分布进行了研究。以一台全空冷315kW、6kV、6极的实心转子永磁同步电动机为例。建立了三维全域流体与固体耦合传热数学模型，在电磁场计算出的损耗基础上，基于有限体积法循环迭代求解电机与冷却器的流固耦合场，确定电机额定工况下的流体流速和全域温度分布。得到了定子轴径向通风沟内空气沿流动方向的流速变化规律，分析了气隙内不同径向位置沿轴向方向的风速分布。研究了转子和笼条沿轴向方向的温度变化规律，将永磁体温度与实则值比较，验证了所采用方法的准确性和有效性。
　　针对无通风结构时转子温升较高的问题，在实心转子上增加了轴径向通风结构，对比分析了转子有无轴径向通风结构两种情况下各部分的风量分配情况，得到了转子有轴径向通风结构时定子径向通风沟内空气速度和温度沿径向方向的变化规律。研究了转子通风结构对电机的冷却效果，发现转子轴径向通风结构能够有效地降低转子温升。最后，为了研究冷却风扇大小对电机流体场和温度场的影响，计算了不同入口冷却风量下的流体传热耦合场。分析了冷却风量对定子通风沟内流体流动状态的影响。得到了定子绕组温度随冷却风量变化的规律，对比研究了永磁体温升受冷却风量大小的影响，并得到一些对通风结构进一步优化改进和冷却风扇的选择方面的有益结论。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的及意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 自起动永磁同步电动机的研究现状

1．2．2 电机内流体场和温度场耦合计算的研究现状

1．3 课题的来源及主要研究内容

第2章 实心转子高压自起动永磁同步电动机流体传热耦合场的计算

2．1 全空冷实心转子永磁同步电动机的通风结构及风路计算

2．2 电机三维全域实体与理论模型的建立

2．2．1 求解域模型及网络剖分

2．2．2 计及转子旋转效应流体传热耦合场数学模型

2．2．3 流体与传热耦合场的边界条件及损耗分布

2．3 电机内流体流动规律及转子表面散热系数的研究

2．3．1 定子径向通风沟内的空气流速变化

2．3．2 气隙内空气沿轴向的流速分布

2．4 基于流-热耦合场计算的实心转子三维温度分布

2．4．1 实心转子导条温度分布

2．4．2 永磁体温度分布及与实测值的比较与分析

2．5 本章小结

第3章 转子轴径向通风结构对电机流体流动及传热的影响

3．1 转子轴径向通风结构模型

3．2 转子轴径向通风结构对电机内风量分配的影响

3．2．1 电机内入口及出口风量的分配

3．2．2 定转子径向通风沟内风量的分配

3．3 转子轴径向通风结构对定子径向通风沟内流体的影响

3．3．1 转子有轴径向通风结构时定子径向通风沟内流速分布

3．3．2 转子有轴径向通风沟时定子径向通风沟内空气温度的变化

3．4 转子轴径向通风结构对电机温度的影响

3．4．1 转子有无径向通风沟时定子绕组温度变化

3．4．2 转子有无径向通风沟时转子温度变化

3．5 本章小结

第4章 冷却空气风量变化对电机内空气流动特性及散热能力的影响

4．1 不同冷却风量方案的描述

4．2 冷却空气风量对电机出入口温度、各部分风量分配的影响

4．2．1 内循环电机入口和出口温度的变化

4．2．2 不同冷却风量时各通风沟的风量分配

4．3 冷却空气风量的变化对通风沟内空气速度的影响

4．4 冷却空气风量的变化对定子绕组温度的影响

4．5 改变冷却空气风量时转子永磁体温度对比分析

4．6 本章小结

结论

参考文献

致谢