空心轴转子在大功率高速永磁同步电机中应用的研究

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1、ＴＭ３５５公开分类号：密级：ＵＤＣ：码１０１４２：单位代Ｈ３丸ｉ￥硕士学位论文空心轴转子在大功率高速永磁同步电机中应用的研究馨学号：２０１４２７７作者：霍国亮学科名称：电气工程２０１７年１２月０６日沈阳工业大学硕士学位论文空心轴转子在大功率高速永磁同步电机中应用的研究ResearchontheApplicationofHollowShaftRotorinHighPowerHighSpeedPermanentMagnetSynchronousMotor霍国亮电气工程学院作者：单位：指导教师：王大朋讲师单位：沈阳工

2、业大学协助指导教师：单位：单位：论文答辩日期：2017年5月24日学位授予单位：沈阳工业大学摘要上世纪末以来，由于军用和民用的需求，高速永磁电机因其优良的性能越来越受到人们的关注。与普通电机相比，高速电机具有诸多的优点，如转速高、功率密度大、体积小、转动惯量小和效率高等。但高转速、高功率密度和体积小同时带来的是单位体积的损耗大、温升高和散热困难等问题。基于一台1.12MW，18000r/min的高速永磁电机，提出了采用空心轴转子，在空心轴处通冷却介质时，将对电机转子散热带来巨大帮助。在此基础上本文主要对以下方面进行了研究：(1)空心轴内径的大小不仅影响着转子的散热效果，同时对电机的轴系强

3、度和模态有很大的影响。内径过小，散热不明显；内径过大，电机的轴系强度和模态可能会不满足要求。在查阅了机械设计手册等资料的基础上，计算得出了合适的空心轴内径。(2)高速电机的温升主要来源于电机各部分的损耗，准确的求出电机的损耗是进行温度场分析的基础和前提。由于高频的影响，定子铁耗计算时要考虑谐波和旋转磁化的影响；铜耗需考虑集肤效应和邻近效应；定子电流的时间谐波和定子槽开口造成的空间谐波是永磁涡流损耗产生的主要原因，对永磁涡流损耗进行了有限元计算；由于高速永磁电机转速可达10000r/min甚至更高，转子表面的风磨耗很大不可忽略，需要对风磨耗进行分析计算，同时分析了不同因素对转子风磨耗的影响

4、，如转速、入口风速等。(3)在流体运动理论的基础上，对电机的冷却系统进行了分析设计，建立了合理的简化电机模型，给出了相应的边界条件。使用Matlab软件得出了水冷机壳和空心孔通水时的等效散热系数，运用Ansys软件得到了电机采用空心轴转子前后的温度分布。同时分析了不同因素对电机温升的影响，如不同入口风速、不同冷却介质等。(4)高速永磁电机的永磁体不能承受较大的拉应力，高转速带来的巨大离心力可能会损坏永磁体，必须采用保护措施，本文采用了高强度的碳纤维材料来保护永磁体。在对电机转子强度进行了理论分析的基础上，对电机的转子强度进行了有限元分析。然后分析了不同温度和转速、不同永磁体结构、不同空心

5、轴内径等对转子应力的影响。(5)高速永磁电机难以设计为刚性转子，一般为挠性转子，工作在一阶临界转速和二阶临界转速之间的安全区域。首先学习了高速永磁电机转子模态的相关理论，对高速电机的转子模态和临界转速进行了有限元计算。随后分析了不同因素对转子模态和临界转速的影响，包括转子带轴承支承、转子带叶轮、不同空心轴内径和不同转子结构。关键词：空心轴，电机损耗，温度分布，转子强度，转子模态IAbstractDuetothedemandofmilitaryandcivilian,highspeedpermanentmagnetmotorhasbeenpaidmoreandmoreattentionbe

6、causeofitsexcellentperformancesincetheendoflastcentury.Comparedwithordinarymotor,highspeedmotorhasmanygoodpoints,likehighspeed,highpowerdensity,smallvolume,smallinertia,highefficiencyandsoon.However,highspeed,highpowerdensityandsmallsizebringalargelossofunitvolume,hightemperatureriseandcoolingpro

7、blemsatthesametime.Basedona1.12MW,18000rpmhighspeedpermanentmagnetmotor,ahollowshaftrotorisputforward,whichwillbringgreathelponheatdissipationofrotorwhenthecoolingmediumisusedinthehollowshaft.whichwillbringgreathelponh