高功率密度永磁电机的损耗及温升特性的研究

论文摘要

在航天、军事及机械等领域,有诸多应用对电机提出了极限性能的要求,如高功率密度、高速、高转矩等。可以说,在目前电机设计分析理论渐趋成熟的条件下,对电机极限性能的追求是解决某些应用场合存在的电机空间体积限制与其性能之间矛盾的主要途径之一。电机性能的提高在一定程度上受限于它的发热温升。电机发热也是影响电机寿命和可靠性最主要因素,它不但对绕组的阻值和磁链产生影响,从而影响电机的工作性能,而且可能造成电机绝缘层破坏甚至烧毁等事故。对于具有极限性能的电机,确保其温升在允许范围之内是保证电机安全绝缘、可靠工作的关键。本文对具有功率密度的旋转型和直线型永磁同步电机的损耗温升进行研究。首先,本文通过对旋转型高功率密度永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,简称为PMSM)电磁场计算,对其损耗进行计算研究。对受电机温升及集肤效应影响的铜耗进行计算;基于分离铁耗模型计算铁心损耗,研究运行工况变化时定子铁耗的变化规律。通过分析电机内热传导路径、具体工况下电机散热系数等,依据传热学原理建立PMSM的三维动态温度场计算模型,基于此模型对伺服系统中的高功率密度PMSM受转矩大范围变化、频繁加减速影响的温升特性进行研究,得到电机伺服响应过程中温度场分布及电机各部位温升规律。其次,比较分析了直线型与旋转型永磁同步电机发热散热的异同,计算了高推力密度永磁直线同步电机(Permanent Magnet Linear Synchronous Motor,简称为PMLSM)初级上的损耗,在此基础上建立其三维动态温度场计算模型。考虑该具有高推力密度的直线电机应用的特点,比较研究了不同工作制下初级的温度场分布和温升规律。最后,对高功率密度PMSM进行了损耗测试,并分别采用内置pt100及绕组法测量得到不同工作状态下电机的温升;通过实验测量研究了高推力PMLSM小电流情况下连续工作制和周期工作制时初级的温升。最后将实验结果与计算结果进行比较分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究目的和意义
• 1.2 高性能永磁电机热问题研究
• 1.2.1 电机热问题研究现状
• 1.2.2 永磁电机损耗计算方法
• 1.2.3 永磁电机温度场计算存在的问题
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 永磁同步电机损耗计算
• 2.1 引言
• 2.2 铜耗计算
• 2.2.1 基本铜耗的计算
• 2.2.2 集肤效应的影响
• 2.3 基于时步有限元法的铁耗计算
• 2.3.1 基于有限元的PMSM电磁场仿真计算
• 2.3.2 损耗系数的确定
• 2.3.3 考虑磁化方式的铁耗计算
• 2.3.4 基于磁密波形的铁心损耗计算
• 2.4 定子铁心上的铁耗分布
• 2.5 伺服响应状态下电机铁耗分析
• 2.5.1 负载变化对铁耗的影响
• 2.5.2 频繁加减速状态下铁耗分析
• 2.6 机械损耗
• 2.7 本章小结
• 第3章 高功率密度PMSM动态温度场研究
• 3.1 引言
• 3.2 传热的基本定律
• 3.3 电机内的热传导路径
• 3.4 三维动态温度场模型
• 3.4.1 电机内热源的分布
• 3.4.2 温度场热系数的确定
• 3.5 电机动态温度场计算
• 3.5.1 稳定运行时电机温升特性研究
• 3.5.2 负载大范围变化伺服响应电机的温升特性
• 3.5.3 频繁加减速状态下电机的温升特性
• 3.6 本章小结
• 第4章 高推力密度PMLSM动态温度场研究
• 4.1 引言
• 4.2 直线型与旋转型永磁电机热计算的异同
• 4.3 三维动态温度场计算模型
• 4.3.1 PMLSM的初级结构
• 4.3.2 热源计算
• 4.3.3 平板表面的散热系数
• 4.4 PMLSM动态温升特性研究
• 4.4.1 连续工作制下电机温升研究
• 4.4.2 短时工作制下电机温升研究
• 4.4.3 周期工作制下电机温升研究
• 4.4.4 周期工作制下最佳间歇时间计算
• 4.5 本章小结
• 第5章 永磁电机损耗及温升实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 PMSM损耗测试
• 5.3 电机温升测量方法
• 5.4 永磁电机温升测量
• 5.4.1 高功率密度PMSM温升实验
• 5.4.2 高推力密度PMLSM温升实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢