非晶合金高速永磁电机热管理技术研究

高速永磁同步电机具有体积小、功率密度大、可直接与原动机或负载相连等优点,广泛应用于高速机床、高速离心压缩机等领域,然而由于其体积小,损耗密度高,且散热困难,容易引起永磁体过热而造成不可逆退磁,从而影响电机的运行性能,因此对高速永磁电机内流体流动特性、传热特点及冷却系统的研究具有重要的意义,主要研究内容有:首先,基于无限大平板层法搭建了测量非晶合金铁心轴向叠片导热系数装置,并对几组非晶合金铁心试样进行了测量。然后以一台15kW,30000r/min内置式非晶合金高速永磁电机为例,基于计算流体力学(CFD)以及传热学理论,建立了三维流体场与温度场的物理模型,采用有限体积法其对流体场和温度场进行耦合计算,得到了机内空气流动特性及各部件的温度分布规律,同时利用流体场有限元法分析了转子转速、转子表面粗糙度对机内空气摩擦损耗的影响。其次,针对高速电机端腔空气流动性差,转子散热困难的情况,研究了转子风刺对高速永磁电机内流体流动与温度分布的影响,并采用有限体积法对转子有风刺时机内流体场与温度场进行耦合计算,得到有风刺时机内流体流动特性及各部件温度分布,在此基础上,研究了风刺长度、风刺数量变化对电机流体场及温度场的影响,为改善高速永磁电机转子的散热条件提供依据。最后,建立了轴向“Z”字型和周向螺旋型水冷系统,利用流场分析软件FLUENT对比分析了两种水冷系统下的流速、流阻及温度分布,对周向螺旋型水冷结构水道个数的选取进行了计算,并分析了不同冷却边界条件对电机温度场的影响。另外,对一台20kW水冷永磁电机进行了温升试验,并将试验数据与计算结果进行对比,验证了耦合场求解方法的正确性。