永磁球形电动机永磁体涡流损耗计算与温升分析

作     者：沈彦波 

作者单位：天津大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李洪凤

授予年度：2016年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：永磁球形电动机 双重傅里叶级数分解 永磁体涡流损耗模型 三维等效热网络模型 

摘      要：随着机器人等高新技术的快速发展,单轴可以实现三自由度运动的永磁球形电动机成为国内外研究的热点。其中,永磁体涡流损耗的计算与电动机的温升分析一直是永磁球形电动机设计的关键性问题。目前,永磁体材料大多采用钕铁硼,这是因为其具有较高的矫顽力和剩磁,但它的电导率较高,谐波会在永磁体内感应出大量的涡流。而涡流损耗的聚集将会使永磁体的温度升高,甚至导致部分不可逆退磁。因此,温升问题直接关系到电动机的运行性能甚至是寿命,很有必要对永磁球形电动机的温升进行分析。本文则主要围绕永磁球形电动机永磁体涡流损耗与电动机温升相关问题展开研究。永磁球形电动机的磁极呈球面锥体结构,各定子线圈相互独立分布于定子球壳内表面。针对这些特性,本文提出了一种计算永磁球形电动机永磁体涡流损耗的三维解析模型,该模型将双重傅里叶级数法与矢量磁位解析法相结合。首先利用双重傅里叶级数法求得定子内径处电流密度分布,继而将其作为边界条件,借助三维拉普拉斯方程,获得了矢量磁位的特解,最后推导得到了永磁球形电动机永磁体涡流损耗的解析表达式。该模型充分考虑到了时间谐波与空间谐波与涡流损耗的关系,并分析了不同的电动机结构参数对永磁体涡流损耗的影响。在计算得到了永磁体涡流损耗的基础上,讨论了作为热源的诸如永磁体磁滞损耗与铜耗。应用这些热源,建立了永磁球形电动机的三维等效热网络模型。结合永磁球形电动机的结构尺寸和材料属性,得到了各温升节点间的等效热阻值。应用该热网络模型分析了不同转速与负载对电动机温升的影响情况,并采用有限元法对电动机进行了热稳态分析。本文最后对永磁球形电动机的定子壳结构进行了改进。为永磁球形电动机通风冷却系统的设计提供了一定的理论基础。