基于磁热耦合的高速永磁电机损耗和温升研究

作     者：王鹏举 

作者单位：河北科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李争;张宏杰

授予年度：2023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：高速永磁同步电机 电磁设计 损耗计算 磁热耦合 温度场分析 

摘      要：高速永磁电机(High speed permanent magnet motor,HSPMM)以其体积小、功率密度高等长处,普遍应用于燃料电池、航空航天、飞轮储能等工业领域。由于HSPMM具有的特殊特性,故需采用不同于普通电机的关键技术和设计方法来实现其优异的性能。因此本文对一台22k W、90000r/min的HSPMM进行了分析研究,主要对HSPMM的电磁设计、损耗计算、温升分析和冷却优化四方面进行了技术研究。具体工作内容如下:首先,根据高速电机的特点,完成定、转子结构的设计,包括定子铁芯材料、绕组分布、转子的材料、形状、绝缘等。确定定、转子结构后,结合电机的转速、功率、转矩等技术指标计算其主要尺寸参数。将其计算出的参数输入到有限元仿真软件中,通过建立二维有限元仿真模型对电机的输出功率、效率、转矩、电流等参数进行仿真,得到相应的电机特性曲线。根据仿真结果,验证设计内容的合理性。其次,对该HSPMM进行了损耗计算,考虑到旋转磁化和磁场谐波更加复杂,高频、温度对电机铁损存在相互作用。为了得到准确的HSPMM铁损计算模型,提出了不同的铁损模型,综合考虑这些物理因素,提出了考虑交互作用的定子铁芯损耗模型。并对转子风摩损耗、绕组损耗和转子涡流损耗进行了分析计算。进而,建立该电机的三维温度场模型,设定求解域和边界条件,求出各部分的散热系数,最后得到电机的温升分布情况。之后考虑到电机的材料属性会随温度的变化而变化的特性,应用磁热耦合(Magnetic thermal coupling,MTC)的方法建立电机模型,经实验验证,得到的温度分布图更加贴近实际情况。最后,基于温度场计算结果,进一步分析不同流速以及不同截面的冷却管道内冷却液对电机散热效果的影响,得到了最优结果,并提出了相关设计建议,以便为HSPMM的冷却系统设计提供更多参考。