高速永磁电机转子损耗及通风散热研究

高速永磁电机具有体积小、功率密度大和效率高等优点,目前已成为国际电工领域的研究热点之一。高速永磁电机的旋转速度每分钟高达数万转甚至数十万转,转子的空气摩擦损耗及高频涡流损耗要比普通电机大得多。同时由于高速永磁电机体积小散热困难,受电枢反应去磁和转子过热影响,容易产生不可逆失磁。因此,高速永磁电机转子抗去磁研究、转子损耗的准确计算和通风散热设计是高速永磁电机设计的关键技术。 本文研究内容是国家自然科学基金重点资助项目“微型燃气轮机—高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”(编号50437010)的部分研究内容,重点针对高速永磁电机的防失磁技术、高速转子的空气摩擦损耗、涡流损耗计算以及电机的冷却方法进行了深入的理论分析与实验研究。主要包括以下内容： (1)基于磁场、应力场和温度场分析,研究了可能导致永磁体失磁的电枢反应去磁和高温失磁的可能性,提出了从永磁体及其护套的材料和结构选用、气隙与定子铁心结构以及通风散热方式等方面,如何减小永磁转子损耗和提高散热能力的防止永磁转子失磁的设计方法。 (2)建立不同定子结构的高速永磁电机有限元模型,分析定子槽数对电机性能及转子涡流损耗的影响。基于流体场和实验相结合方法,对6槽无内风道和24槽有内风道两台高速永磁电机的温升进行了对比分析与实验,研究轴向通风结构与参数对高速电机温升的影响。 (3)研究电机转速、气隙长度、定转子表面粗糙度和轴向风速等对于转子表面空气摩擦损耗的影响,基于流体场分析建立转子空气摩擦损耗的计算模型；通过对高速电机磁场分析建立了转子涡流损耗与转速的关系式,利用实验损耗分离方法验证了转子表面空气摩擦损耗和转子涡流损耗的计算模型。 (4)基于流固耦合分析,建立高速永磁电机通风散热的空冷和油冷温升计算模型,计算永磁电机温升。通过对24槽空冷和12槽油冷高速永磁电机的温升测量与计算结果的对比,验证温升计算方法的有效性。 (5)利用高速电机转子的高速旋转特性,研究一种在高速电机转子上直接设置轴流风扇的新结构,通过内风道设计,建立一种高速永磁电机的自扇冷通风系统,简化高速电机的通风散热结构。