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Cooling System Design Optimization of an Enclosed PM Traction Motor for Subway Propulsion Systems

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CES Transactions on Electrical Machines and Systems 2023年第4期7卷 390-396页

作者： Longnv Li Nan Jia Xizhe Wang Yiran Yun gaojia zhu the School of Electrical Engineering Tiangong UniversityTianjin 300387China Tangshan Fengnan District Power supply Branch State Grid Jibei Electric Power Co.Ltd.Tangshan 063000China State Grid Tianjin Ninghe Electric Power Supply Company TianjinChina the Power Electronics Machines and Control Research GroupUniversity of NottinghamNottingham NG72RDU K IEEE

This paper presents the design optimization of a self-circulated ventilation system for an enclosed permanent magnet(PM)traction motor utilized in the propulsion systems for subway *** order to analyze accurately the machine's inherent cooling capacity when the train is running,the ambient airflow and the related heat transfer coefficient(HTC)are numerically investigated considering synchronously the bogie installation *** machine is preliminary cooled with air ducts set on the motor shell,and the fluidic-thermal field distributions with only the shell air duct cooling are numerically *** simulations,the HTC obtained in the former steps is applied to the external surface of the machine to model the inherent cooling characteristic caused by the train *** reduce the temperature rise and thus guarantee the motor's working reliability,an internal self-circulated air cooling system is proposed according to the machine temperature *** air enclosed in the end-caps is driven by the blades mounted on both sides of the rotor core and forms two air circuits to bring the excessive power losses generated in the heating components to cool *** fluid flow and temperature rise distributions of the cooling system's structural parameters are further improved by the Taguchi method in order to confirm the efficacy of the internal air cooling system.

关键词： Permanent magnet(PM)traction motor Bogie installation structure Self-circulated ventilation system Taguchi method

Coupled Electromagnetic-Thermal-Fluidic Analysis of Permanent Magnet Synchronous Machines with a Modified Model

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CES Transactions on Electrical Machines and Systems 2019年第2期3卷 204-209页

作者： gaojia zhu Xiaoming Liu Longnv Li Hai Chen Jianguo zhu Key Laboratory of Advanced Electrical Engineering and Energy Technology Tianjin Polytechnic UniversityTianjin300387 China

The researches on the heat generation and dissipa-tion of the permanent magnet synchronous machines(PMSMs)are integrated problems involving multidisciplinary studies of electromagnetism,thermomechanics,and computational fluid *** governing equations of the multi-physical prob-lems are coupled and hard to be solved and *** high accuracy mathematical model in the algebraically integral con-servative forms of the coupled fields is established and computed in this *** the equation coupling with the fluid flow and the temperature variation is modified to improve the positive definiteness and the symmetry of the global stiffness *** computational burden is thus reduced by the model modification.A 20kW 4500rpm permanent magnet synchronous machine(PMSM)is taken as the prototype,and the calculation results are validated by experimental ones.

关键词： Cell method(CM) model modification mul-ti-physics coupled problems permanent magnet synchronous machine(PMSM).

基于有限公式法和流固耦合的永磁牵引电动机冷却系统设计与分析

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电工技术学报 2017年第5期32卷 70-77页

作者：朱高嘉朱英浩朱建国佟文明韩雪岩沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心沈阳110870 悉尼科技大学

稀土永磁电机由于其高效、高功率密度的特点,在轨道交通牵引系统的设计中受到了广泛和密切的关注。由于其全封闭式结构,牵引电动机的负载能力主要受限于冷却系统的散热能力。建立了一台永磁牵引电动机的全封闭式自循环空-空冷却系统,通... 详细信息

稀土永磁电机由于其高效、高功率密度的特点,在轨道交通牵引系统的设计中受到了广泛和密切的关注。由于其全封闭式结构,牵引电动机的负载能力主要受限于冷却系统的散热能力。建立了一台永磁牵引电动机的全封闭式自循环空-空冷却系统,通过对参数散热敏感性的分析,确定了适宜的冷却结构参数范围。针对该冷却结构,应用有限公式法进行三维温度场数值计算,确定了散热系统的结构参数,并用流固耦合仿真验算了计算结果。

关键词：永磁牵引电动机全封闭冷却系统温度场有限公式法流固耦合

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永磁电机温度场的改进有限公式迭代算法

电工技术学报 2017年第16期32卷 136-144页

作者：朱高嘉朱英浩朱建国佟文明韩雪岩沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心沈阳110870 悉尼科技大学

非晶合金材料由于其高导磁、低损耗的特点,在电机的研究、开发中受到了广泛和密切的关注。由于非晶合金电机常常运行在变频控制下且工作频率往往较高,电机内谐波含量大、发热严重。考虑到电机损耗、材料导热性能、散热面对流传热性能受... 详细信息

非晶合金材料由于其高导磁、低损耗的特点,在电机的研究、开发中受到了广泛和密切的关注。由于非晶合金电机常常运行在变频控制下且工作频率往往较高,电机内谐波含量大、发热严重。考虑到电机损耗、材料导热性能、散热面对流传热性能受温度分布的影响,将温度场计算程序与一套双重循环迭代系统相嵌套,计算7k W盘式非晶合金永磁电机的三维温度分布。通过系统内循环确保电机腔内空气温度的准确选取;通过外循环计及温度分布对损耗、导热系数以及对流传热系数的影响。从有限公式迭代算法的基本原理出发,通过对温度场数学模型的改进,简化循环中对导热系数修正的计算过程,降低每步迭代的计算量。通过对比迭代算法算得的温升分布和电机温升实验结果,验证了模型的合理性和计算结果的准确性,为盘式非晶合金永磁电机的温度分析计算提供了一种较为精确、快捷的参考方法。

关键词：有限公式分析盘式非晶合金永磁电机改进热模型回带程序三维温度场

有限公式温度场计算技术及其在永磁电机分析中的应用

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中国电机工程学报 2017年第S1期37卷 152-161页

作者：朱高嘉朱英浩佟文明韩雪岩朱建国沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心辽宁省沈阳市110870 悉尼科技大学工程与信息技术学院

永磁电机的温升直接关系电机性能指标和经济指标,对电机温度场的准确计算是设计工作中的要点。该文从有限公式法的基本原理出发,研究任意多面体网格下温度场各类边界的有限公式实现方法,建立对流传热边界的高精度有限公式数学模型。针... 详细信息

永磁电机的温升直接关系电机性能指标和经济指标,对电机温度场的准确计算是设计工作中的要点。该文从有限公式法的基本原理出发,研究任意多面体网格下温度场各类边界的有限公式实现方法,建立对流传热边界的高精度有限公式数学模型。针对具有解析精确解的二维基准散热问题,在同一套网格下分别应用原边界模型和高精度改进边界模型计算导热体温升分布,验证改进模型的可靠性和精确性。应用有限公式温度场计算技术,计算一台2.1k W非晶合金永磁电机的三维温度场。以电机温升实验测量值为基准,对比有限公式法、有限元法在同样网格剖分下的计算精度,验证了电机三维温度场有限公式计算技术的可靠性和计算结果的准确性,对非晶合金永磁电机热分析具有一定的参考意义。

关键词：非晶合金永磁电机有限公式法温度场边界条件数值计算技术

不同数值方法在自扇冷永磁同步电机三维热分析中的应用

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电工技术学报 2017年第A01期32卷 151-159页

作者：佟文明孙静阳舒圣浪朱高嘉沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心沈阳110870

为研究不同数值计算方法在电机三维温度场分析中的应用,以一台11kW、1 500r/min全封闭自扇冷异步起动永磁同步电机为例,分别基于有限元法、有限体积法和有限公式法进行温度场仿真,并在多套剖分网格仿真计算的基础上,对比分析同一网格下... 详细信息

为研究不同数值计算方法在电机三维温度场分析中的应用,以一台11kW、1 500r/min全封闭自扇冷异步起动永磁同步电机为例,分别基于有限元法、有限体积法和有限公式法进行温度场仿真,并在多套剖分网格仿真计算的基础上,对比分析同一网格下应用有限公式法和有限元法的永磁同步电机三维温度场计算结果。同时,分析有限公式法在不同网格数下的计算收敛性。最后,对比有限公式法、有限元法温度场计算结果与有限体积法流固耦合传热计算结果的区别,并以试验值对比验证了仿真计算的准确性。

关键词：有限公式法有限元法有限体积法永磁同步电机

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电器电场有限元精细求解器研究

电工技术学报 2018年第24期33卷 5789-5796页

作者：冯海文刘晓明李龙女朱高嘉沈阳工业大学电气工程学院沈阳110870 沈阳工业大学软件学院沈阳110023 天津工业大学天津市电工电能新技术重点实验室天津300387

基于自主开发的电器电场精细计算与绝缘分析有限元平台,提出改进区域分解方案,采用边界均匀离散和渐变离散融合方法,以最小内角最大为约束条件,提出改进单元优化涟漪模型,实现单元趋正剖分。求解器中采用动态压缩存储结构及快速访问机制... 详细信息

基于自主开发的电器电场精细计算与绝缘分析有限元平台,提出改进区域分解方案,采用边界均匀离散和渐变离散融合方法,以最小内角最大为约束条件,提出改进单元优化涟漪模型,实现单元趋正剖分。求解器中采用动态压缩存储结构及快速访问机制,实现Hermite插值计算有限元电场精细计算,以解决单元质量与计算效率这一矛盾关系。典型计算案例仿真结果表明,趋正度γ≥0.8的优质单元约87%,最小内角不低于40°的优质单元达96%以上。利用本求解器计算550kV SF6断路器灭弧室电场和具有解析解的电场案例,比对分析表明,本算法与Lagrange插值法和Ansys求解器相比,计算精度分别提高290%和150%,平均误差和最大误差均有降低。

关键词：有限元精细计算趋正剖分 SF6灭弧室 Hermite法压缩存储

基于有限公式法的永磁电机温升仿真实验教学平台与应用

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实验技术与管理 2021年第2期38卷 136-139页

作者：朱高嘉李龙女天津工业大学电工电能新技术天津市重点实验室天津300387

为了保证电机长期运行可靠性和输出转矩能力,永磁电机温度场的精确计算是其设计与开发的基础,而常规数值离散过程需要进行复杂的数学变换,掌握其核心机理所需的前置课程多、学习难度大。有限公式法离散方程物理意义清晰明确,将之应用于... 详细信息

为了保证电机长期运行可靠性和输出转矩能力,永磁电机温度场的精确计算是其设计与开发的基础,而常规数值离散过程需要进行复杂的数学变换,掌握其核心机理所需的前置课程多、学习难度大。有限公式法离散方程物理意义清晰明确,将之应用于教学可提高学生对数值算法的基本思想及分析方法的理解。通过对基于有限公式法的实际工程案例分析讲解,可培养学生应用数值算法解决复杂工程案例的能力。该文分析和推导了基于有限公式法的永磁电机温度场数学模型,分析其物理意义;搭建了基于有限公式法的永磁电机三维温度场数值计算平台,为永磁电机设计类课程中温升分析与冷却设计提供了有效的教学条件。

关键词：永磁电机有限公式法教学平台温升

基于FCS-MPC的五桥臂UPQC电能质量补偿策略研究

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电力系统保护与控制 2022年第8期50卷 66-74页

作者：刘涛何启发肖朝霞李龙女朱高嘉天津工业大学电气工程学院天津300387

针对容错模式下的统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC),提出了一种五桥臂形式的新型拓扑结构,实现故障下的电能质量扰动综合补偿。在此基础上,对串联变流器和并联变流器进行统一建模,提出了一种基于有限集模型... 详细信息

针对容错模式下的统一电能质量调节器(Unified Power Quality Conditioner,UPQC),提出了一种五桥臂形式的新型拓扑结构,实现故障下的电能质量扰动综合补偿。在此基础上,对串联变流器和并联变流器进行统一建模,提出了一种基于有限集模型预测控制(Finite Control Set Model Predictive Control,FCS-MPC)的五桥臂UPQC控制策略。相比传统线性控制策略,所提算法构建了统一的预测模型以及整合优化的价值函数,实现串联变流器与并联变流器的协同控制,提高了两侧变流器的补偿精度、暂态性能以及响应速度,有效降低了控制算法的复杂度和参数调节难度,并具有较高的参数鲁棒性。仿真结果验证了所提算法的可行性和有效性。

关键词：有限集模型预测统一电能质量调节器电能质量五桥臂容错控制