【摘要】：永磁同步電機(jī)憑借高功率密度、高效率以及高功率因數(shù)等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)已成為多領(lǐng)域的主流選擇,尤其在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用頗為廣泛。隨著驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能指標(biāo)的逐步提高,對永磁同步電機(jī)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn),現(xiàn)階段已有大量的文獻(xiàn)對高功率密度永磁同步電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)展開研究并取得豐碩成果;另一方面需要從電機(jī)散熱的角度入手,通過提升電機(jī)散熱能力來實(shí)現(xiàn)。然而,隨著電機(jī)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(jī)的散熱需求。針對上述問題,本文借鑒大型發(fā)電機(jī)的散熱理念,結(jié)合永磁同步電機(jī)的特點(diǎn),提出永磁同步電機(jī)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(jìn)行直接冷卻以提高熱交換效率。這種散熱方案在大電機(jī)領(lǐng)域中的運(yùn)用已較為成熟,但應(yīng)用于相對小容量的永磁同步電機(jī)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(jī)的設(shè)計(jì)階段,針對不同設(shè)計(jì)方案對電機(jī)溫升進(jìn)行快速且準(zhǔn)確的計(jì)算,使電機(jī)既不造成材料浪費(fèi),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(jī)的冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)及溫升計(jì)算展開研究,為進(jìn)一步提升永磁同步電機(jī)功率密度奠定基礎(chǔ)。首先,本文參考永磁同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)的一般方法,對一臺高功率密度外轉(zhuǎn)子永磁同步電機(jī)進(jìn)行電磁設(shè)計(jì)和損耗分析計(jì)算。通過電磁場有限元進(jìn)行電機(jī)空載和負(fù)載仿真分析,對比了不同供電方式下的電機(jī)損耗。空載和負(fù)載仿真結(jié)果表明電磁設(shè)計(jì)方案能夠滿足電機(jī)力能指標(biāo);損耗分析計(jì)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(chǔ)。其次,本文對槽內(nèi)水冷管道的設(shè)計(jì)和管壁渦流損耗的抑制方法進(jìn)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(chǔ)上,對銅管管壁渦流損耗進(jìn)行研究,確定銅管在槽內(nèi)的擺放位置。結(jié)果表明,針對樣機(jī)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(shí)現(xiàn)水冷系統(tǒng)對電機(jī)電磁性能基本無影響,保證水內(nèi)冷系統(tǒng)應(yīng)用于永磁同步電機(jī)中的可行性。然后,結(jié)合有限體積法與等效熱網(wǎng)絡(luò)法,構(gòu)建樣機(jī)熱路計(jì)算模型并進(jìn)行模型驗(yàn)證和溫升分析。首先使用計(jì)算流體力學(xué)分析軟件對樣機(jī)的氣隙流體場、銅管內(nèi)部冷卻水流體場進(jìn)行了仿真分析,針對樣機(jī)修正對流換熱系數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式;然后基于傳熱學(xué)基本理論,建立反應(yīng)徑向、軸向和周向溫度分布的等效熱網(wǎng)絡(luò),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(jìn)行對比。結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的水冷系統(tǒng)不僅能夠保證電機(jī)額定工況下長期運(yùn)行,還能滿足電機(jī)更長時(shí)間過載運(yùn)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(yàn)證等效熱網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上,使用所構(gòu)建的等效熱網(wǎng)絡(luò)對水道尺寸進(jìn)行快速優(yōu)化設(shè)計(jì),并研究水道端部增設(shè)散熱翅對電機(jī)溫升的影響。結(jié)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(shè)散熱翅進(jìn)一步降低電機(jī)端部繞組的溫升,對轉(zhuǎn)子側(cè)的散熱效果提升更加顯著。熱暫態(tài)分析表明端部增設(shè)散熱翅可進(jìn)一步延長電機(jī)短時(shí)過載連續(xù)運(yùn)行時(shí)間。兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)均建立在等效熱網(wǎng)絡(luò)快速計(jì)算基礎(chǔ)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(jī)等效熱網(wǎng)絡(luò)對電機(jī)溫升分析具有極大應(yīng)用價(jià)值;另一方面也為水內(nèi)冷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供指導(dǎo),對提高永磁體同步電機(jī)功率密度具有重要意義。
【學(xué)位授予單位】：重慶大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)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(shí)使電機(jī)脫離冷卻水套，結(jié)構(gòu)更加緊湊，如圖 1.2 所示，結(jié)果表明槽內(nèi)放置冷卻水道對于提高電機(jī)功率密度具有顯著效果，然而，該設(shè)計(jì)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(dǎo)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(jìn)空間。

圖 2.3 有限元仿真模型ig. 2.3 Finite element simulation model of mo析機(jī)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?jǐn)?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(yùn)行時(shí)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(jī)性能滿足技術(shù)要求，對電機(jī)進(jìn)行負(fù)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(lì)下，達(dá)到峰值轉(zhuǎn)矩 2250 N·m。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2770833