（机械设计及理论专业论文）高速磁悬浮永磁电机的发热与冷却研究.pdf

删 n a n j i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n d a s 仃o n a u t i c s t h eg r a d u a t es c h o o l c 0 1 1 e g eo f m e c h 趾i c a la n de 1 e c 仃c i n i ce n g i n e e r i n g r e s e a r c h0 nt e m p e r a t u r ec a l c u l a t i o na n dc 0 0 l i n g s y s t e mo f ah i g h s pe e dp e r m a n e n t m a g n e t m o t o r s u p p o r t e db ym a g n e t i cb e a r i n g s at h e s i si i l m e c h a l l i c a ld e s i 盟锄d1 1 1 e o 巧 b y w h gg u i x i a l l g a 嘶s e d b y p r o ) ( ul o n g x i a i l g s u b n l i t t e di np a r t i a lf u l f i l l n l e n t o f t l l er e q u n n l e n t s f o rm ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i l l e e r i l l g m a y ，2 0 l o ，- 1 承诺书 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文，是本人在导师指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论 文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许 论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 至搓查 日期： 刎口= 丛= 2 罗 南京航 高速磁悬浮永磁电机由于转速高、 的温度过高，影响电机的效率，甚至还可能会导致转子永磁体不可逆失磁。因此如何保证电机 的运行温度在安全范围内是高速磁悬浮永磁电机设计的重点之一。文中对高速磁悬浮永磁电机 的发热与冷却进行了研究。 针对高速磁悬浮永磁电机的发热问题，文中首先对该种电机结构和所用到的相关温度场理 论进行了介绍，然后分析了电机绕组中的铜损耗；接着分析了电机定子硅钢片材料对电机定子 铁损耗的影响，通过采用不同硅钢片材料制作的变压器来测量硅钢片的高频单位损耗值；由于 电机转子转速高风摩擦严重，针对电机转子表面的风摩擦损耗，分析了电机风摩擦损耗的影响， 计算了电机中风摩擦损耗值：接着通过有限元的方法分析了电机转子中的涡流损耗。通过前面 计算电机的损耗量以及电机中相应的边界条件采用a n s y s 软件对高速磁悬浮永磁电机空载稳 态发热模型进行了仿真研究。最后在两台高速磁悬浮永磁电机上进行了试验研究，结果表明理 论计算与试验吻合较好。 关键词：高速磁悬浮永磁电机，电机发热模型，定子铁损耗，转子涡流损耗，有限元 高速磁悬浮永磁电机的发热与冷却研究 a b s 仃a c t 1 k 咖砌s 叽棚ed c s 咖0 fh i g h 却e e dh i g i i p o w 盯舢c n th m g n e tm o 瞬s u p p o r t e db y m a g n e 血b c a r i 垮m a yc a 腑h i g ht e i 印咖o f t h es 饿0 r 锄dr o 缸l e a d i n g t om o t o r1 0 we 伍c i c y 锄d e v 蜘i i i 潲i b l e m a 昌删c l o 踣缸a 陀s 毗t h ek e y p o i n t i s f o c l l s c d t t i e w a y s t 0 蛐m e m 咖rw o 威t e 脚p e 伯t u b 0 t ht h eh e a 矗i l g 锄dc i i n go f t h em o t o ri s 咖d i e di nt h i sp m j e 吨 c o m i d e r i i 唱t 1 1 es e r i o 吣k 蜥n g 叫b l 锄，t h e 瑚衙蚰肌咖嘴锄dt h et e 】唧弦r 加j 丘e l da 锄m d c d 脚，m ec 叩p 盯l o 鼹o f s 僦0 r 诵n d i l l 笋i s 锄a i y z 缸a n dm 饥t h ei 姗l o 豁o fs i h c 卵lp i l e di nm es t a 自o ri st h e o r e t i c a l l ya n d 懿p e 而玳n t a l l y 删y z e dt h e1 0 鼹o f1 1 i g h 丘q u 伽【c ) r 咖i i t 、，a l u ei sm 期l r e dt h m l j 曲t r a 蟠f o l m e 璐璐e do fd i | i 伽ts i l i c 吼s t c d 删l t c r i a l s b a u t h e 蒯 伍c 6 0 i ll o 鼹o ft h em 1 衙s u 嘞i sas 丽。懈哪b l e m ，t h a tt h ei n l p a c to f 丽n d 衔鲥l o 鼹i sa l 锄i a l y z e d f 砌l y ，m e 丘n i t ee l 锄髓tm e t h o di s 孤a l y z 耐t h em o 自叫删 0 re d d y 伽r n t1 0 鼹t h em o t 叫 h e 枷吨m o d e l i ss i l 硼l 曲e di i la n s y sb yt h ep 们沁l o 踌锄dt l l e 锄l 叫n to fc o m s p 0 咖b c 心1 d a r y c 伽u d i d s t h ee 珥煳面i 脚陀s u l t ss h o wt l l a tt l l et l l e o t i c a lt a l l y 谢t ht h e 珥龇血斌 k e yw o r 凼：h i g h - s p c 棚p e 锄姗e n tm a 印e tm o t o r 鲫珥o r 锄b ym a g n e 血b c a r i i 唱s ；h e a t 删e l ；i 姗 1 0 s s ；t o re d d yc l m 嘲呲l o 豁；觚t ee l e r n 咖m e t l l o d 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 高速磁悬浮永磁电机概述l 1 1 1 磁悬浮轴承的特点1 1 1 2 高速磁悬浮永磁电机的特点。2 1 2 高速磁悬浮永磁电机发热问题3 1 3 国内外高速电机研究现状和发展趋势4 1 3 i 高速电机发热与冷却的主要研究方法4 1 3 2 国外研究状况。5 1 3 3 国内研究现状一6 1 4 论文工作的：意义和内容安捧7 1 4 1 论文工作的意义。7 1 4 2 论文工作主要内容7 第二章高速磁悬浮永磁电机温度场的基本理论。8 2 1 高速磁悬浮永磁电机样机的结构形式。8 2 1 1 高速磁悬浮永磁电机转子设计特点8 2 1 2 高速磁悬浮永磁电机定子设计特点9 2 1 3 磁悬浮轴承特点l l 2 2 电机温度场的基本理论。l l 2 2 1 电机散热方式及热源的基本理论1 l 2 2 1 1 热传导基本定律l l 2 2 1 2 电机中的对流与辐射。1 2 2 2 1 3 电机中的损耗1 3 2 2 2 导热微分方程1 3 2 2 3 导热微分方程式的边界条件。1 6 2 3 本章小结1 6 第三章高速磁悬浮永磁电机损耗的计算t 7 3 1 高速磁悬浮永磁电机铜损耗计算方法1 7 3 2 高速磁悬浮永磁电机定子铁损耗计算方法1 8 3 2 1 铁损耗的组成。1 8 高速磁悬浮永磁电机的发热与冷却研究 3 2 1 1 涡流损耗1 8 3 2 1 2 磁滞损耗。1 8 3 2 1 3 涡流附加损耗 3 2 2 电机定子铁损耗的计算方法1 9 3 2 3 定子硅钢片在高频下的单位质量损耗测量的方法1 9 3 2 4 定子硅钢片损耗系数测量试验2 0 3 2 5 高速磁悬浮永磁电机铁芯铁损耗计算。2 6 3 3 高速磁悬浮永磁电机转子损耗计算方法研究2 6 3 3 1 高速转子风摩擦损耗计算2 6 3 3 2 转子护套涡流损耗的分析2 7 3 4 本章小结3 0 第四章高速磁悬浮永磁电机的稳态温度场计算3 1 4 1 电机定子温度场的仿真计算3 l 4 1 1 定子相应边界条件。3l 4 1 2 定子对流换热系数的选择3 3 4 1 3 定子材料导热系数的选择。3 4 4 1 4 样机基本参数3 5 4 1 5 高速磁悬浮永磁电机定子的温度场计算结果和分析。3 5 4 2 高速磁悬浮永磁电机转子温度场仿真计算4 0 4 2 1 转子对流换热系数的确定4 l 4 2 2 转子a n s y s 温度场分析。4 2 4 3 本章小结。4 4 第五章高速磁悬浮永磁电机温升测试4 5 5 1 电机温度场试验分析采用的仪器介绍4 5 5 1 1 热敏电阻 5 1 2 热电偶4 6 5 1 3 试验变频电源：4 6 5 1 4 试验样机基本参数4 6 5 2 电机温度的测量 5 2 1 测温试验4 8 5 2 2 试验结果分析 5 3 本章小结 南京航空航天大学硕士学位论文 第六章结论5 2 参考文献5 4 致谢5 7 在学期间的研究成果及发表的学术论文5 8 v 高速磁悬浮永磁电机的发热与冷却研究 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 l 图4 1 2 图4 1 3 图表清单 径向磁悬浮轴承1 高速磁悬浮永磁电机实物图。3 转子结构示意图9 端部径向连接环型绕组示意图1 0 两台样机定子结构示意图1 0 径向磁悬浮轴承( a ) 和轴向磁悬浮轴承( b ) 示意图l l 在直角坐标系中的热传导分析的微元控制体1 4 硅钢片横向叠压( a ) 和混合向叠压( b ) 示意图2 0 单相变压器试验原理图2 l 单相变压器铁芯基本尺寸2 l 单相变压器实物图2 l 变压器空载测试电源装置2 2 变压器空载测试试验现场2 3 电机二维模型示意图2 8 电机转子护套电磁损耗分布图2 9 电机转子永磁体电磁损耗分布图3 0 1 2 槽电机定子相应边界条件。3 2 2 4 槽电机定子相应的边界条件3 2 电机基本尺寸示意图3 5 1 2 槽电机和2 4 槽电机网格划分图3 7 1 2 槽电机不通冷却气体时定子温度分布图3 8 2 4 槽电机不通冷却气体时定子温度分布图。3 8 1 2 槽电机定子对称面的温度分布图。3 9 1 2 槽电机定子进风口侧( a ) 和出风口侧( b ) 稳态温升分布图3 9 2 4 槽电机定子对称面的温度分布图4 0 2 4 槽电机定子进风口( 左) 和出风口( 右) 稳态温升分布图。4 0 电机转子散热边界条件。4 l 电机转子模型网格划分图。4 2 1 2 槽电机通入冷却空气时转子温度分布仿真图l 。4 3 南京航空航天大学硕士学位论文 图4 1 4 图5 1 图5 2 图5 3 图5 4 图5 5 1 2 槽电机通入冷却空气时转子温度分布仿真图2 4 3 定子温度测试图( a ) 和转子温度测试图( b ) 4 5 样机试验装置4 7 样机温度测试装置4 7 加电抗器前电机输入电流的波形图4 8 加电抗器后电机输入电流的波形图4 8 表3 1 单相变压器对应的参数2 2 表3 22 0 0 h z o 0 8 m m 硅钢片试验测量值( 横向取向) 2 3 表3 3 2 0 0 i i z0 0 8 m m 硅钢片试验测量值( 混合取向) 。2 3 表3 42 0 0 h z 0 1 5 m m 硅钢片试验测量值( 无取向) 2 4 表3 5 2 0 0 h z0 2 3 m m 硅钢片试验测量值( 横向取向) 2 4 表3 64 0 0 h zo 0 8 m m 硅钢片试验测量值( 横向取向) 。2 4 表3 74 0 0 i z o 0 8 m m 硅钢片试验测量值( 混合取向) 。2 4 表3 8 4 0 0 h z0 1 5 m m 硅钢片试验测量值( 无取向) 2 5 表3 94 0 0 h z0 2 3 m m 硅钢片试验测量值( 横向取向) 2 5 表3 1 0 四个变压器在4 咖z 的空载损耗值( 1 删h z ) 。2 5 表3 1 l 空气运动粘度与温度的关系表2 7 表3 1 2 不同轴向流速时电机转子表面的摩擦损耗2 7 表4 11 2 槽定子铁芯和2 4 槽定子铁芯导热性能3 4 表4 2不同槽数电机定子基本尺寸3 5 表4 3转子部分材料的热性能4 l 表5 11 2 槽电机带电抗器4 0 0 h z 空载运行各部分温度值( 带电抗器) 。4 9 表5 22 4 槽电机4 0 0 h z 空载运行各部分的温度测量值( 带电抗器) 4 9 表5 3计算值和实验结果比较5 0 塑鎏壁墨登查丝皇垫塑垄垫量堡垫婴塞 注释表 实际磁通密度( t ) 剩余磁通密度( t ) 比热( j i 地k ) ) 摩擦系数 修正系数 变压器二次侧电压值( v ) 样机额定频率m z ) 硅钢片的重量( k 曲 磁感应强度矫顽力( a m ) 电流值( a ) 变压器一次侧电流( a ) 径向磁轴承绕组中每对极的电流值( a ) 轴向磁悬浮轴承绕组中电流值( a ) 样机额定相电流( a ) 绕组z 中的电流( a ) 气流吹拂效率系数 在q 角速度、e 磁通密度下，每千克硅钢片的铁损值( 、7 l m 【g ) 转子的长度 铜绕组长度( 神 电机相数 变压器次级线圈的匝数 额定转速( r 觚n ) 努谢尔特数n 空载损耗( 哪 发热体总损耗m 铜损耗 涡流损耗 涡流附加损耗 磁滞损耗( 叼 口 研 c 印巨工魄珥， l七 k，肼 札舨 岛凡b心 谳 南京航空航天大学硕士学位论文 样机额定功率o 体积流量( m i m i l l ) 物体表面对流换热的热流密度( w m ) 热流密度向量 通过边界面置的热流密度( w m 2 ) 电阻值( q ) 径向磁悬浮轴承中铜线随温度而改变的电阻值( q ) 轴向磁悬浮轴承中铜线随温度而改变的电阻值( q ) 温度为i 时的电阻值( q ) 温度等于毛时对应材料的电阻值( q ) 换算到基准工作温度绕组x 的电阻( q ) 雷诺数 轴向雷诺数 径向雷诺数 转子的半径 温度( o c ) 稳态导热过程的温度值( 。c ) 变压器一次侧电压 变压器二次侧电压( v ) 气体的运动粘度( m ) 轴向气流速度( h 哟 通风沟内空气流速( 以) 转子圆周速度( i i 以) 物体的生热率( w 一) 对流换热系数k ) 热扩散率 电阻温度系数( 依) 定转子之间的气隙( m m ) 样机额定效率 物体的导热系数( w ( m l p ) 工方向上的导热系数( w ( m - k ) ) y 方向上的导热系数( w ，( m k ) ) x 口l i ， ，1 1 f ， 办q g i 吼r r r r r 以胎 地 慨 r r 而 仉 玑 v 吒 口 q 声万 仉入 k 高速磁悬浮永磁电机的发热与冷却研究 x k 肛 p f 只( d r 圣 v z 方向上的导热系数( w ( m k ) ) 气体的动力粘度( k 咖s ) 气体的密度( k g ，m ) 铜线随温度而改变的电阻率( q 姗2 1 1 1 ) 时间( s ) 磁通m ) 转子角速度 拉普拉斯算符v ，：旦+ 旦+ 旦 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 高速磁悬浮永磁电机概述 1 1 1 磁悬浮轴承的特点 按照结构性能，轴承可分为两大类：接触式轴承和非接触式轴承。接触式轴承包括滑动式和 滚珠式。由于存在摩擦，他们大多不能承受高速运行，而且从理论上讲寿命都是有限的。随着 材料技术的发展，人们研制出了一种陶瓷轴承，具有较好的耐磨性和耐高温性，其转速可达到 每分钟几万转，甚至十万转以上。但是高速旋转时其寿命降低，因此主要是在高速运行实验中 用的较多而实际产品中用的较少。高速电机不能采用传统的接触轴承，而需要采用非接触式轴 承。非接触式轴承是指转轴和轴承之间不直接接触，而是通过介质或场力的作用使得转轴在工 作运行中处于一种“悬浮”状态。这样，轴与轴承之间不存在摩擦，不会因摩擦而产生热量，因 而从理论上讲其磨损寿命是无限的。非接触轴承有气动轴承和磁悬浮轴承，其中磁悬浮轴承所 运用的磁悬浮技术是目前唯一可以实现主动控制的现代支承技术。磁悬浮轴承是借助于永久磁 铁或可控电磁铁产生的电磁力使转子实现稳定悬浮的。磁悬浮轴承具有允许转速高、摩擦功耗 小、无需润滑和寿命长等优点。并且是集力学、机械、控制工程、电磁学、电子学和计算机技 术于一体的典型的机电一体化产品。由于磁悬浮轴承可以实施主动控制，所以它具有一般传统 轴承所无法比拟的优越性。同时因为磁悬浮轴承的摩擦损耗极小，所以磁悬浮轴承支承的转子 可在每分钟数十万转的工况下运行，也不存在类似滚动轴承、滑动轴承由于磨损和接触疲劳所 产生的寿命问题【l 】。图1 1 是径向磁悬浮轴承实物图。 图1 1 径向磁悬浮轴承 高速磁悬浮永磁电机的发热与冷却研究 1 1 2 高速磁悬浮永磁电机的特点 随着铝镍钴永磁、铁氧体永磁，特别是稀土永磁的相继问世，磁性能有了很大提高，许多 电励磁电机纷纷改用永磁体励磁。稀土永磁电机具有结构简单、运行可靠、体积小、质量轻、 损耗小、效率高、电机的形状和尺寸可以灵活多样等显著优点。它不仅可以部分替代传统的电 励磁电机，而且可以实现电励磁电机难以达到的高性能。目前永磁电机的功率小至毫瓦级，大 到兆瓦级，在工农业生产、航空航天、国防和日常生活中得到广泛应用，产量急剧增加，应用 范围也更加广泛【2 】。高速磁悬浮永磁电机是将磁力轴承即磁悬浮轴承与稀土永磁电机集成为一 体的高速永磁电机。高速磁悬浮永磁电机的转子是通过控制磁悬浮轴承而实现悬浮，使转轴在 稳定平衡状态下运转。其明显的特点在于采用磁悬浮轴承减少了电机转子和轴承机械接触产生 的机械摩擦和磨损，降低了工作能耗和噪声。由于高速磁悬浮永磁电机采用的是磁悬浮轴承， 所以轴承不需要润滑和密封系统，减少了污染【3 】。总而言之，高速磁悬浮永磁电机由于具有节 能高效、结构简单、转速高、电机尺寸小、功率密度大等显著优点，在能源短缺的当今世界， 备受国内外学者和业内人士的关注，成为电机行业发展的热点，其在很多方面具有广阔的应用 前景。 ( 1 ) 高速磁悬浮永磁电机可应用在污水处理、储能飞轮、高速磨床、纺织、离心式压缩机、 高速铣床、高速车床、离心机、透平机和真空泵等。 ( 2 ) 在混合动力汽车、航空、船舶等领域具有良好的应用前景。随着国家对节能减排产品 的重视，对体积小，重量轻的高速磁悬浮永磁电机也将会得到充分的关注。 下图( 图1 2 ) 是装有磁悬浮轴承额定功率为7 5 k w 的2 4 槽高速永磁电机实物图片。 2 b 南京航空航天大学硕士学位论文 图1 2高速磁悬浮永磁电机实物图 1 2 高速磁悬浮永磁电机发热问题 高速磁悬浮永磁电机的高效节能必然要求其单机容量不断增大，技术经济指标大大提高。 这无疑使得电机运行时产生的损耗显著增加，引起电机各部分温度升高，这直接影响电机的寿 命和运行的可靠性。而永磁体更是高速磁悬浮永磁电机转子的关键部分，其磁性能会随着所处 环境温度的升高而下降，甚至在高温下发生不可逆去磁，对电机性能造成严重影响【4 l 。因此， 准确分析和研究电机内温度场从而得到电机各部件发热情况，将为电机高效、安全运行奠定 坚实的基础，也为电机的设计提供重要依据和分析手段。因为电机稳态发热是关系到电机使用 寿命和运行可靠性的重要因素，尤其在新产品试制中，合理分配电机稳态发热量和其他各项指 标的关系至关重要【5 】只有初步计算和确定试制样机的温度分布和电机要求部件的平均温度， 才能较好地对电机各项性能指标、技术要求和材料消耗等方面进行合理地分配及调整，使设计 方案更加合理化，避免在试制过程中因发热的原因而造成研发的失败，费用的提高高速磁悬 浮永磁电机的实际运行是一个非常复杂的物理过程，为了准确的描述这一物理过程，从包括电 磁场、温度场在内的多场藕合的角度对高速磁悬浮永磁电机进行分析是非常必要的准确的仿 真分析也便于我们准确掌握电机内电磁场和温度分布情况，进而提供优化、准确的电机设计方 3 路 集 中参数的热路进行计算。该方法是把电机中的每一个发热元件和热阻元件的基本参数计算出来， 按照每个元件在电机中的位置把每个元件通过串联或并联的方式连接起来，画出电机的等效热 路图，然后根据热路图计算各个元件的温度。该方法的优点是它可以比较直观的反映出热源与 热阻的关系，容易理解，计算量较小。缺点是该方法只能计算铁芯和绕组的平均温度，或者部 分铁芯和绕组的平均温度，而且准确性较低，无法全面了解温度的分布情况及过热点的位置和 数值。分段等效热路法是对传统等效热路法的改良与发展。它将电机内的热路图按照一定的假 设条件分成若干段，在每一段上使用传统的等效热路法计算出热阻，根据各节点上的热传递关 系，列出热平衡方程，将所有节点上的方程联立，可得到整台电动机的热平衡方程组。分段等 效热路法解决了传统等效热路法不能分析整体电机发热的局限，但与传统等效热路法一样，它 的准确性较差。等效热网络法是应用图论原理，通过网络的拓扑结构进行热场分析的一种方法 闭其步骤是： 1 先按计算对象的实际结构及其它对称条件确定求解区域，对求解区域进行剖分，做离散 化处理。剖分单元形状及大小可以任取，但一般为便于计算，网络剖分要整齐，并根据温差的 大小决定某一区域网格的疏密； 2 运用局部集中参数观点，认为热源集中分布于节点，热流集中地由支通过，将节点温度 作为求解变量； 3 构成等效热网络，并确定网络参数，包括热阻、网络损耗的计算以及边晃条件的处理从 而建立起物理模型； 4 建立数学模型，根据能量守恒方程，或直接应用基尔霍夫热流定律，列出网络节点的温 度方程组，并选定求解算法； 4 南京航空航天大学硕士学位论文 5 编制计算软件，借助计算机进行求解。 采用等效热网络法计算温度值，不仅具有物理概念清晰、网格划分简单，而且容易被广大工程 技术人员熟悉和掌握。但是网络参数的设置与计算的合理和准确度直接影响整体的计算精度， 需要有丰富的经验将热路的设置考虑得足够精致才能满足工程要求。 有限元法出现于5 0 年代中期至6 0 年代末，随着其理论的日臻完善和计算机性能的迅速提高， 有限元法应用越来越广泛。伴随各种有限元分析商业软件的出现，有限元法己成为处理复杂电 机热交换问题的首选方法其基本思想是将计算区域划分成一系列的单元，在每个单元上取数 个点作为节点，然后通过对控制方程做积分获得离散方程。用有限元方法计算电机的温度场不 仅计算精度较高，而且能够详细计算出电机的温度分布，很容易找出电机中的过热点。该方法 对不规则区域的适应性良好，并且随着计算机硬件水平的不断提高，能在较短时间内得出计算 结果。 1 3 2 国外研究状况 由于军用和民用方面对高速电机的需求，上世纪末以来，英美等发达国家竞相开展对高速 电机的研究，其典型代表是：美国麻省理工学院( 1 讧r r ) 的电磁和电子系统实验室研究的5 m w 高 速感应发电机；德克萨斯州立大学机械电子中心用于先进机车推进系统的3 m w 高速同步发电 机和高速感应飞轮电机；英国1 b og e n e t s 公司推出的以1 2 m w 高速永磁发电机为核心的新 型移动电站；美国c a l i l e 妞公司开发的舰用2 m w 高速永磁发电机，转速范围为 1 9 0 0 0 r j m i i 卜2 2 5 0 0 机n i n ，目前已经研制出5 0 0 0 0 0 r 力【l i n 的永磁发电机；瑞士a b b 公司和瑞典 v o l ，v o 公司均在研究高速燃气轮机驱动永磁高速发电机上花费了多年的时间，他们合作研制 成功型号为m t l o o 的热电联产样机。该机组的电气输出功率为1 0 0 k w ，热输出功率1 6 7k w ， 总效率高达8 0 ，为4 极结构，转速超过6 0 0 0 0 r i i l i n ；瑞典斯德哥尔摩皇家技术学院对微型燃气 驱动高速永磁发电机也制造出了额定功率1 l ok w ，额定转速7 0 0 0 0 讥n i n 的样机。总之，国外 对高速电机及相关技术的研究比较早，己经取得了很多研究成果。而且随着新材料的不断出现， 加工工艺的不断改进，该项技术必将以更快的速度向前推进【4 l 。 从温度场计算的角度来看，国外有很多学者对电机的热计算方法进行大量的研究也取得 了很大的成果，为高速电机温度场计算奠定了一些理论基础，随着时间的推移电机的温升计算 方法也在不断的提高1 9 7 0 年以前，电机的温度计算主要以简化公式为主。上世纪7 0 年代， 求解电机温度场的解析解法基本成型，数值法开始展开【卯。1 9 7 4 年，a - n 鲍里先科等人合作出 版了电机中的空气动力学和热传递一书该书系统的介绍了流体力学和传热学在电机工程 中应用的理论基础，详细的分析了电机通风冷却问题，给出了一部分求解电机温度场的方法。 但由于这些方面局限于解析法的范畴。做出了大量的近似处理，计算误差较大，有些只有定性 分析意义。这段时期，数值计算法开始应用在电机的热计算中i 们。1 9 7 6 年，a 肋0 r 等人采用标 5 文献【1 4 、1 5 】提出了计算高速电机转子铁损耗的方法。文献【1 6 】着重探讨了高速电机的定子铁芯 和绕组的结构南京航空航天大学和沈阳工业大学根据高速磁悬浮永磁发电机的设计理论、分 析方法和控制技术，研制了采用磁悬浮的高速永磁电动机发电机组，并已实现单机额定功率 1 0 0 k w 转速为6 5 0 0 0 凼n i n 和额定功率7 5 l c w 转速为4 0 0 0 0 晌n i n 的稳定运行虽然国内对高速 磁悬浮永磁电机的研究做出了一些成果，但是由于高速磁悬浮永磁电机转速高且绕组电流交变 频率高，电机在以下方面还需要进一步的研究：结构设计、损耗分析、电机的转子发热和冷却 等问题。这也给我们带来了一个新的研究课题。 6 南京航空航天大学硕士学位论文 1 4 论文工作的意义和内容安排 1 4 1 论文工作的意义 由磁悬浮轴承支承的转子在高速旋转时，除由于空气摩擦产生的损耗外，电机内还将产生 相当大的损耗( 涡流损耗和磁滞损耗) ，而且一般涡流损耗和磁滞损耗比普通的电机要高的多。 通常采用叠片，烧结或缠绕结构的转子来减小涡流损耗，但在某些情况下仍然不能有效的解决， 此时就必须对涡流产生的影响进行分析，特别是由此产生的损耗必须事先进行估算。磁场的频 率，磁密的大小，决定了电机涡流损耗的大小。要进行研究的高速磁悬浮永磁电机其磁场频率 是普通电机的十几倍，采用的结构也与普通电机不同，例如绕组采用环绕式，永磁体外部加有 导电不导磁的金属外套。所以再用传统电机的损耗计算使用的经验公式来计算，将会产生很大 的误差，不能满足电机设计的要求。本文采用有限元法围绕电机温度场进行了系统地研究。建 立了比较完整的理论分析模型，对高速磁悬浮永磁电机的设计与优化有着重要的意义。 1 4 2 论文工作主要内容 本课题针对高速磁悬浮永磁电机的发热严重，以及在定子、转子的设计及变频器供电等方 面还存在一些需要解决的问题。论文主要开展了以下几个方面的研究工作： 第一章：介绍高速磁悬浮永磁电机的特点和高速电机及磁悬浮轴承在国内外的发展现状， 阐明本文的选题背景以及研究意义。 第二章：对高速磁悬浮永磁电机结构进行了介绍以及温度场中运用到的有限元理论和传热 学理论做出阐述和分析。 第三章：对高速磁悬浮永磁电机中的铜损耗及铁损耗进行了分析。并且对不同厚度定子铁 芯材料单位质量铁损耗进行了测量。根据流体场理论对高速磁悬浮永磁电机转子风摩擦损耗进 行了分析，并且用有限元软件a n s o f r 分析了电机转子中的损耗。 第四章：根据高速磁悬浮永磁电机稳态温度场模型和相应的导热系数、散热系数、部件的 生热率等在a n s y s 中进行建模和边界条件的设置，并且采用a n s y s 软件对电机进行有限元 稳态温度场分析，得出电机的温度分布趋势。 第五章：电机温度测量试验是很重要的一部分内容，本文进行了两台样机空载试验，并对 试验结果做了初步分析，测量出了高速磁悬浮永磁电机相应部分的温升变化。 第六章：本文的工作进行了总结，并对下一步工作提出了展望 7 高速磁悬浮永磁电机的发热与冷却研究 第二章高速磁悬浮永磁电机温度场的基本理论 2 1 高速磁悬浮永磁电机样机的结构形式 高速磁悬浮永磁电机的结构形式和普通电机有很大的不同。需要对样机的各个部分进行简 要的说明。试验样机是额定功率7 5 k w ，额定转速为4 0 0 0 0 r ，i n i l l 的高速永磁电机，与普通电机 轴承支撑系统不同，其支撑轴承采用磁悬浮轴承。 2 1 1 高速磁悬浮永磁电机转子设计特点 由于高速磁悬浮永磁电机转速可以达到几万转甚至十几万转以上，其转子表面线速度可达 到2 0 0 玎低以上。普通转子难以承受高速旋转产生的离心力，所以需要采用特殊的高强度实心转 子。其中电机实心转子中的永磁体需要较高的剩余磁通密度、矫顽力和最大磁能积，同时应具 有足够高的工作温度和热稳定性。永磁转子在高速旋转的情况下会在其表面产生很大的风摩擦 损耗和涡流损耗让转子温度过高从而造成永磁体不可逆失磁，设计转子时需要考虑这个重要问 题。 对于高速磁悬浮永磁电机来说，永磁转子的设计主要从电磁和机械两方面着手。即永磁转 子需要为定子绕组提供足够强的旋转磁场，同时永磁转子本身又要能承受高速旋转产生的巨大 离心力。由于离心力与旋转速度的平方成正比，为了减小离心力，转子外径应尽可能的小。然 而，转子外径也不能太小：为了产生需要的电磁转矩和输出功率，转子应该有足够的空间安装 永磁体，同时也必须有足够大的空间安放绕组。除此之外转子应具有足够的刚度，因而转子不 能过于细长，半径与长度需要有一个合适的比例。 转子永磁材料的选择 永磁体材料的性能在一定程度上决定了电机的尺寸和性能。选择永磁材料时通常需要考虑 以下几方面： 为了提高电机的力学性能和效率，应该选用剩余磁通密度耳、矫顽力皿和最大磁能积 ( 明) 一较大的永磁材料 永磁材料应具有稳定的性能，且其退磁曲线在允许工作温度范围内应该呈线性变化为了 保证永磁转子工作温度不超过永磁体的退磁温度，应选用耐高温的永磁材料。由于永磁转子承 受巨大的离心力，永磁材料的机械性能也是选择时需要考虑的问题。综合技术要求和材料成本， 目前在高速磁悬浮永磁电机转子设计中，多选用烧结铷铁硼永磁材料【1 该永磁体工作温度不 大于1 8 0 ，居里温度约为3 4 0 ( 2 ) 电机极数的选取 高速磁悬浮永磁电机的极数较少，一般采用2 极或4 极。2 极电机便于永磁体采用整体结 8 南京航空航天大学硕士学位论文 构，以保证永磁转子机械和电磁性能的对称性。同时2 极电机定子铁芯磁通和绕组电流的交变 频率仅为4 极电机的一半，有利于减少电机定子的铁损耗和铜损耗。2 极电机的主要缺点是定 子绕组的端部较长，同时所需要的定子铁芯轭部面积较大。从电磁和机械两个方面综合考虑， 特别是从转子结构设计来看，采用2 极方案比较有利【4 】。 ( 3 ) 永磁体的保护 烧结铷铁硼是一种类似于粉末冶金的永磁材料，能承受较大的压应力( 约1 0 0 0 m p a ) ，但不 能承受大的拉应力，其抗拉强度低于抗压强度的十分之一( 一般小于8 0 m p a ) 。如果没有保护措 施，永磁体无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力。保护永磁体的方法有两种：一种是采 用碳纤维绑扎永磁体，另一种是在永磁体外面加一层高强度非导磁合金钢护套。与采用非导磁 合金钢护套相比，碳纤维绑扎带的厚度要小，而且不产生高频涡流损耗。然而，碳纤维是热的 不良导体，不利于永磁转子的散热，永磁体产生的热量不易散发出去。目前常用的方法是采用 永磁体外面加一层高强度非导磁合金钢护套，永磁体与护套间采用过盈配合。这样做虽然增加 了转子直径，但是它是电和热的良导体，即可以屏蔽掉一些高频谐波，也有利于永磁体散热， 所以试验样机转子选用非导磁合金钢护套的保护措旖。用护套对永磁体施加的静态预压力抵消 高速旋转离心力产生的拉应力，使永磁体高速旋转时仍承受一定的压应力，从而保证永磁转子 的安全运行。为了避免加热装配护套时，永磁体因过热产生不可逆失磁，采用转子加工装配后 再充磁的工艺，转子结构示意图如图2 1 所示。 图2 1转子结构示意图 2 1 2 高速磁悬浮永磁电机定子设计特点 当高速磁悬浮永磁电机的转速达到数万转时其定子磁场的交变频率将达到普通电机的几十 倍，而定子单位铁损耗与磁场交变频率有关。那么高速磁悬浮永磁电机的单位铁耗将是普通电 机的好几十倍。目前试验所用的几台样机采用的是低损耗冷轧硅钢片，定子铁芯采用多槽结构 形式。高速磁悬浮永磁电机单位体积内的损耗比普通电机大得多，因此如何对电机进行有效散 9 l o 图2 3两台样机定子结构示意图 南京航空航天大学硕士学位论文 2 1 3 磁悬浮轴承特点 普通机械轴承在转子高速旋转情况下很难得到应用，所以高速磁悬浮永磁电机中的轴承采 用的是磁悬浮轴承，其设计也是与普通机械轴承有区别的。高速磁悬浮永磁电机必须采取非接 触式轴承以减少轴承磨损和失效，提高轴承的寿命。磁悬浮轴承是借助于磁力使转子实现稳定 悬浮，它具有一般传统轴承所无法比拟的优越性。由于磁悬浮轴承的摩擦损耗小，所以磁悬浮 轴承支承的转子可在每分钟数十万转的情况下运行，不存在类似滚动轴承、滑动轴承由于磨损 和接触疲劳所产生的寿命问题。主动磁悬浮轴承从结构上来分一般都包括径向和轴向轴承。本 样机磁悬浮轴承采用径向磁悬浮轴承和轴向磁悬浮轴承( 如图2 4 所示) ，通过以上两个部分实现 对转子径向和轴向的支撑。 磁轭 ( a )(b) 图2 4 径向磁悬浮轴承( a ) 和轴向磁悬浮轴承( b ) 示意图 2 2 电机温度场的基本理论 由于要进行高速磁悬浮永磁电机温度场分析，所以有必要对涉及到的理论作说明，目前研 究电机温度场主要采用有限元的方法有限元法具有边界适应性好，可考虑材料的非线性，计 算准确性高等优点。并且随着计算机运算能力的不断增加，该方法应用在电机内温度场计算中 将更加广泛。对于传热学所描述的物理问题，是将连续体的无限自由度离散为有限自由度，从 而可使用基于变分原理或用其它方法将其归结为代数方程组求解。 2 2 1 电机散热方式及热源的基本理论 2 2 1 1 热传导基本定律 传热是由于温度差引起的能量转移。一种介质内部或几种介质之间，只要存在温度差，就 必然出现传热现象当物体内部存在温度差，即存在温度梯度时，热量会从物体的高温部分传 递到低温部分，这种热量传递的方式称为热传导。基本的热传导方程建立在热传导定律和能量 2 2 1 2 电机中的对流与辐射 热量传递方式主要有：热传导、对流换热和热辐射1 7 1 。除了2 2 1 1 节介绍的热传导以外， 还有对流和辐射两种散热方式。 对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于存在温差而引起的热量交换高温物 体表面常常发生对流现象，这是因为高温物体表面附近的空气因受热而膨胀，密度降低并向上 流动