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高功率密度永磁电机磁场与温度场计算

作　者: 任钦
导　师: 邹继斌
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 无刷直流电机高功率密度损耗温度场
分类号: TM351
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 413次
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内容摘要

由于永磁无刷直流电机体积小、重量轻、环境适应性强、可靠性高、输出功率大等诸多优点,在航空、航天、航海等军工领域以及各高精加工等领域有着广泛的应用。电机的功率密度与电机体积和功率密切相关,高功率密度通常都伴随着高的损耗密度和高的温升。温升对电机的影响不仅在于它能改变电机的工作性能,而且可能降低电机寿命,破坏绝缘层,甚至烧毁电机。为了能够降低电机的温升,本文对高功率密度无刷直流电机进行了损耗与温度场计算,在此基础上对电机定子槽各项参数进行了优化。首先,对比分析了不同齿宽电机的工作特性,研究齿宽对工作特性的非线性的影响,通过对电机定子槽各项参数的改变,基于分离铁耗模型计算了定子槽参数不同的电机在相同负载下的铁心损耗、转子涡流损耗与铜耗,对比分析了不同槽结构时的损耗大小与损耗分布,分别得到电机各损耗随定子槽参数变化的规律。其次,研究分析了钢材料机壳对电机损耗的影响,计算分析了轭高对机壳损耗的影响,找出轭高变化与机壳损耗之间的规律。针对钢材料机壳的导磁性,分析轭高很小时定子轭部饱和程度以及在采用钢壳的情况下铜损与轭高之间的关系。再次,根据传热学的基本理论,分析电机内热量的传导路径以及确定温度场计算所需的各种参数,通过对电机绕组等效建立二维温度场计算模型。基于对损耗优化计算的结果,计算定子槽参数不同的电机温升,比较分析定子槽参数不同的电机温升情况;计算电机在不同工况下的温升,分析电机每种工作制下温度的分布情况。根据电机实际工作情况下运行状态的不同,计算转矩变化时电机的暂态温升,找出电机的温度场分布及电机各部位温升规律。最后,对两台不同定子参数的样机进行转矩变化的动态温升实验,采用测电阻法测量电机在负载变化时的绕组温度,对比分析两台样机的温升情况,验证电机定子槽参数优化的正确性。并将实验结果与计算结果进行比较分析,分析研究温升计算产生偏差的原因。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章绪论  10-16
  1.1 课题背景及研究目的和意义  10-12
    1.1.1 课题背景  10-11
    1.1.2 研究的目的和意义  11-12
  1.2 电机损耗与温升的研究  12-15
    1.2.1 电机损耗的研究  12-13
    1.2.2 电机温升计算方法  13-15
    1.2.3 存在的问题  15
  1.3 本文的主要研究内容  15-16
第2章无刷直流电机设计与电磁场计算  16-23
  2.1 引言  16
  2.2 无刷直流电机设计  16-18
    2.2.1 主要尺寸的选择  16
    2.2.2 主要材料的选择  16-17
    2.2.3 电机极槽数的选取  17
    2.2.4 电机模型结构  17-18
  2.3 电磁场计算  18-22
    2.3.1 气隙磁密与各项系数计算  19-20
    2.3.2 定位力矩分析计算  20-21
    2.3.3 机械特性与工作特性计算  21-22
  2.4 本章小节  22-23
第3章无刷直流电机损耗分析  23-36
  3.1 引言  23
  3.2 电机损耗的计算方法  23-25
    3.2.1 有限元法计算铁耗  23-24
    3.2.2 电机铜损的计算  24-25
    3.2.3 机械损耗的计算  25
  3.3 电机基本损耗的分析  25-28
    3.3.1 定子铁心损耗分析  26-27
    3.3.2 机壳损耗与转子涡流损耗分析  27-28
    3.3.3 铜损分析  28
  3.4 电机定子槽参数改变对损耗的影响  28-34
    3.4.1 定子槽参数变化对铁损的影响  28-30
    3.4.2 轭高改变对机壳损耗的影响  30-31
    3.4.3 槽口大小对转子涡流损耗的影响  31
    3.4.4 定子槽参数对铜损的影响  31-33
    3.4.5 槽形改变对电机总损耗的影响  33-34
  3.5 本章小结  34-36
第4章无刷直流电机温度场计算  36-53
  4.1 引言  36
  4.2 传热学基本定律  36-38
    4.2.1 热传导  36-37
    4.2.2 对流传热  37-38
    4.2.3 热辐射换热  38
  4.3 热传导方程的定解条件  38-40
    4.3.1 电机动态热传导方程  39-40
  4.4 电机内的热传导路径  40-41
  4.5 二维动态温度场模型与相关系数的确定  41-52
    4.5.1 二维温度场计算模型  41-42
    4.5.2 温度场计算相关系数的确定  42-43
    4.5.3 温度场计算结果分析  43-44
    4.5.4 不同工作制的温度场计算  44-49
    4.5.5 短时过载的温升分析  49
    4.5.6 运行状态变化的温升分析  49-52
  4.6 本章小结  52-53
第5章无刷直流电机实验分析  53-59
  5.1 引言  53
  5.2 实验平台及测试系统  53-54
  5.3 电机运行特性测试  54-55
  5.4 电机损耗测试  55-57
  5.5 电机温升测量方法  57-58
  5.6 电机温升测量  58
  5.7 本章小结  58-59
结论  59-60
参考文献  60-63
攻读硕士学位期间发表的学术论文  63-65
致谢  65

高功率密度永磁电机磁场与温度场计算

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