离心机用高速永磁同步电机温度场及水冷分析

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1、学校代码10530学号201510171850分类号TM351密级公开硕士学位论文离心机用高速永磁同步电机温度场及水冷分析学位申请人王琳指导教师兰志勇副教授学院名称信息工程学院学科专业电气工程研究方向电机与电器二〇一八年六月六日AnalysisofTemperatureFieldandWaterCoolingofHighSpeedPermanentMagnetSynchronousMotorforCentrifugeCandidateWangLinSupervisorA.P.LanZhiyongCollegeCollegeofInformationEngineeringProgr

2、amElectricalEngineeringSpecializationElectricmachineandelectricapplianceDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateJun，6th,2018摘要近年来，高速永磁同步电机（HSPMSM）得到快速发展，无需齿轮等减速机构，转速高，体积相对较小，电机转矩一定的情况下，其输出功率与转速成正比等特点，在许多场合逐步取代交流异步电机，并且在能源消耗方面相对交流异步电机小，是目前大力发展的重点之一。但是，永磁同步电机高速､高频的特点导致电机本体损耗､温升

3、等特点也逐步加大，再者体积小，散热困难，特别是在全封闭电机中过高的温升导致永磁体不可逆退磁等现象严重。因此，对于高速永磁同步电机内各部分损耗的分析、电机温度场的计算及电机水冷系统的分析尤为重要。本文首先进行电机模型搭建及损耗计算。本文搭建了一台300kW，18000rpm离心机用高速永磁同步电机模型，Ansoft-Maxwell对其进行有限元分析（FEA），得到高速永磁同步电机的铜耗、铁耗及涡流损耗的分布情况。其次，对电机流场及流场引起温度场分析。根据Ansoft-Maxwell电机有限元模型，建立高速永磁同步电机气隙流场等效模型，通过电机气隙内流场雷诺数判断气隙流场状态，假设流

4、体仿真的合理化条件及流体仿真的边界条件设置。利用计算流体动力学的方法（CFD），在Fluent流体分析软件中通过多物理场耦合，对高速永磁同步电机在在各种转速情况下的流场进行分析。通过电机定子槽及绕组的等效、电机各接触面之间的等效散热系数的计算，建立高速同步电机温度场模型，在ANSYS-Workbench经典界面中的温度场模块下得到电机在不同转速情况下由电机气隙流场引起的温升对电机定转子、绕组温度的影响。再次，对电机整体温度场分析。结合电机有限元分析得到的铜耗、铁耗、涡流损耗以及高速永磁同步电机气隙流场引起的电机各部分温升情况，以传热学为基础，通过多物理场耦合得到电机整体温度场的分

5、布。最后，验证新型水冷方式合理性，对电机进行水冷分析。针对300kW，18000rpm离心机用高速永磁同步电机的温升情况，采用一种一次成型的铜管压制在电机定子轭部的新型水冷结构，分析电机定子轭部开不同冷却槽情况下电机磁密及磁力线的分布，结合电机不同冷却槽数下的冷却效果得到适用于此电机冷却效果最好的水管数量，验证了此水冷结构的合理性。以计算流体力学、传热学及多物理场耦合的方法得到电机冷却之后的电机定子、绕组及永磁体等温度场分布情况。关键词：高速永磁同步电机；CFD；温度场；多物理场耦合；水冷IAbstractInrecentyears,high-speedpermanent-mag

6、netsynchronousmotors(HSPMSM)havebeenrapidlydeveloped.AndHSPMSMwithoutgearsandotherspeed-reducingmechanisms.Thehighspeedandrelativelysmallvolumemaketheoutputpowerproportionaltotherotationalspeedunderacertainmotortorque,andtheACasynchronousmotorisgraduallyreplacedinmanyoccasions,andtheenergycon

7、sumptionrelativetotheasynchronousmotorissmall.Itisthefocusofgreatdevelopmentatpresent.But,thecharacteristicsofhighfrequencyandhighfrequencyofpermanentmagnetsynchronousmotorcauseagradualincreaseinthetemperatureriseofthemotor,whichissmallinvolu