高速永磁电机由于具有转速高、体积小、功率密度大、高效节能等优点,在高速磨床、高速飞轮储能系统及污水处理等领域得到越来越广泛的应用。然而由于高速和高频带来的损耗、温升及散热问题也变得越来越严重,因此为了保证高速永磁电机安全可靠的运行,必须对如何降低电机损耗和温升及改善通风冷却效果等问题进行深入的研究。本文针对高速永磁电机设计中的关键问题,采用磁场、流体场和温度场相结合的分析方法对高速电机的损耗、温升和散热问题进行了研究,主要研究内容如下:
(1)针对高速永磁电机高频供电时,定子绕组电流和铁心中磁通交变频率增高导致铁耗增加的特点,通过实际测量有取向电工钢片不同频率和不同轧制方向的铁心损耗,对实验数据进行回归分析从而确定铁耗计算模型中磁滞和涡流损耗系数。然后通过有限元分析,根据定子铁心不同区域磁场的变化规律,综合考虑电机中交变与旋转磁场的影响,对一台额定转速为60000r/min的高速永磁电机的铁耗进行了分析计算,并与实验结果进行了比较。结果表明,考虑旋转磁场及谐波磁场分量影响时的铁心损耗更接近实际测量值。
(2)考虑到高速电机高频运行时由于集肤效应对绕组附加铜耗的影响,进行了高速永磁电机定子绕组附加铜耗的计算。基于电磁场理论分析了影响高频附加损耗的相关因素,采用场路耦合有限元法分析了高频附加损耗与转速之间的关系,通过损耗分离方法将高频附加损耗从电机总损耗中分离出来,并将计算结果与实验分离值相对比,验证了高频附加损耗分析方法的正确性和有效性。
(3)根据高速永磁电机通风系统的特点,基于流体力学理论建立电机轴向系统流体场数学模型,计算了高速电机轴向通风沟内冷却气体的流速,并在此基础上,分别采用热路法与流体场结合的方法和基于流固耦合场的分析方法计算了高速永磁电机的温升。与实验结果的对比表明,采用热路法与流体场结合的温升计算方法虽然没有流固耦合的分析方法准确,但是由于其计算工作量小并结合了流体场的分析结果,因此计算结果比传统的等效热路法要准确并具有实际应用价值;而采用基于流固耦合计算永磁电机的温度场分析结果则更接近实测值。
(4)针对高速永磁电机的结构特点,对一台12槽高速永磁电机的冷却系统进行了研究,分别建立了油冷及空冷和水冷相结合的混合冷却的三维流体场模型,并通过流固耦合法进行了温度场计算。
