静压轴承高速电机转子损耗与温升特性研究.pdf
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-I-摘要高速电机有体积小,功率密度大的特点,同时功率因数高,转速变化范围大,可靠性高。
由于这些优点,高速电机在航空航天,精密制造等领域有着良好的发展前景。
但电机损耗密度大,温升高,这成为了限制其使用范围。
转子侧散热条件恶劣,永磁体在高温下极易产生不可逆的退磁,影响高速电机的正常工作。
高速电机的转子损耗主要来源于转子涡流损耗、风摩损耗和轴承的机械损耗。
本文以空气轴承高速电机为研究对象,建立了空气轴承高速电机的流体场模型,利用流体场模型的分析计算高速电机定转子气隙的风摩损耗以及轴承内的风摩损耗,并分析了电机结构以及流场边界条件对高速电机风摩损耗的影响,并通过降速实验进行了验证;通过建立转子涡流损耗模型,分析了转子的护套形式以及材料对转子损耗的影响;基于传热学的理论,建立了电机的温度场模型,分析了流体流态对气隙内散热系数的影响,以及不同护套材料下电机温度场的不同。
首先,分析了高速电机中流体的控制方程。
然后根据空气轴承高速电机流场的特点,对其中的流体场流态进行分析,并根据不同流场作用机制,将定转子气隙内风摩损耗分为切向与轴向两部分。
通过计算流体力学的方法对风摩损耗进行计算分析,将其结果与现有的风摩损耗经验公式作比较,结果相一致。
其次,分析得到了定转子气隙内转子转速,外径,气隙长度以及气隙边界条件对风摩损耗的影响规律。
然后,根据流场模型,计算了空气轴承内不同偏心率下的压力速度分布,研究了径向轴承和止推轴承内风摩损耗的影响因素。
而后,通过降速实验分离得到电机内的风摩损耗,与计算值相比较,分析两者间的误差验证计算模型的准确。
而后,对所要研究的电机中转子涡流损耗进行分析。
建立了永磁电机转子涡流损耗的计算模型,分析了转子侧谐波的影响因素。
并研究了载波比,转子分块,护套形式、材料以及气隙长度对转子涡流损耗的影响。
最后,基于流体场的分析结果以及损耗的计算对高速电机中的温度场进行研究。
分析了电机内各部分散热系数的计算,对定转子气隙内的转子表面散热系数进行研究分析。
在电机中建立流体场与温度场耦合的模型,研究了护套材料对电机温度场的影响。
关键词:
空气轴承;高速电机;风摩损耗;涡流损耗;温升万方数据-II-AbstractThehigh-speedmotorshavethecharacteristicsofsmallvolume,highpowerdensity,largerangeofspeedchangeandhighreliability.Duetotheseadvantages,high-speedmotorshavegoodprospectsinthefieldsofaerospace,precisionmanufacturingandsoon.However,becauseofthehighlossinmotorandthetemperaturelimits,whichbecomesalimitationofitsuserange.Theheatdissipationconditionontherotorsideispoor,andthepermanentmagnetispronetoirreversibledemagnetizationathightemperatures,whichaffectsthenormaloperationofthehighspeedmotor.Therotorlossesofhighspeedmotorsaremainlyderivedfromrotoreddycurrentlosses,windandfrictionlosses,andmechanicallossesofbearings.Inthispaper,theairbearinghighspeedmotoristakenastheresearchobject,andthefluidfieldmodeloftheairbearinghighspeedmotorisestablished.Thewindfieldmodelisusedtocalculatethewindandrotorlossofthestatorandrotorairgapofthehighspeedmotorandthewindandfrictionlossinthebearing,andthemotorisanalyzed.Theinfluenceofstructureandflowfieldboundaryconditionsonwindturbinewearofhighspeedmotorwasverifiedbythespeedreductionexperiment.Therotoreddycurrentlossmodelwasestablishedtoanalyzethesheathformoftherotorandtheinfluenceofmaterialonrotorloss.Thetheoryestablishesthetemperaturefieldmodelofthemotor,analyzestheinfluenceoffluidflowstateontheheatdissipationcoefficientintheairgap,andthedifferenceofthetemperaturefieldofthemotorunderdifferentsheathmaterials.First,thegoverningequationsforfluidsinhighspeedmotorsareanalyzed.Thenaccordingtothecharacteristicsoftheairbearinghigh-speedmotorflowfield,thefluidfieldflowstateisanalyzed,andaccordingtothedifferentflowfieldactionmechanism,thewind-inducedfrictionlossinthestatorairgapisdividedintotwoparts:
tangentialdirectionandaxialdirection.Thecalculationoffluidfrictioniscalculatedbycomputationalfluiddynamicsmethod,andtheresultsarecomparedwiththeexistingempiricalformulasofwindandfrictionloss.Theresultsareconsistent.Secondly,theinfluenceofrotorrotationspeed,outerdiameter,airgaplengthandairgapboundaryconditiononwindandfrictionlossisobtained.Then,accordingtotheflowfieldmodel,thepressurevelocitydistributionunderdifferenteccentricitiesintheairbearingiscalculated,andtheinfluencingfactorsofthewindandfrictionlossintheradialbearingandthethrustbearingarestudied.Then,thewindandfrictionlossinthemotorisseparatedbythespeedreductionexperiment,andcomparedwiththecalculatedvalue,theaccuracyoftheerrorverificationcalculationmodelbetweenthetwoisanalyzed.Then,therotoreddycurrentlossinthehighspeedpermanentmagnetmotorwasstudied.Ananalyticalcalculationmodelofrotoreddycurrentlossisestablished,andtheinfluencingfactorsofrotorsideharmonicsareanalyzed.Theeffectsofcarrierratio,rotor万方数据-III-segmentation,sheathmaterialstructureandairgaplengthonrotoreddycurrentlossarealsostudied.Finally,basedontheanalysisresultsofthefluidfieldandthecalculationoftheloss,thetemperaturefieldinthehighspeedmotorisstudied.Thecalculationoftheheatdissipationcoefficientofeachpartinthemotorisanalyzed,andtheheatdissipationcoefficientoftherotorsurfaceinthestatorairgapisstudiedandanalyzed.Themodelofcouplingthefluidfieldandtemperaturefieldofthemotorisestablished,andtheinfluenceoftherotorsheathmaterialonthetemperaturefieldofthemotorisstudied.Keywords:
Highspeedmotor,airbearing,windandfrictionloss,eddycurrentloss,temperaturerise万方数据-IV-目录摘要.IAbstract.II第1章绪论.11.1课题的背景及意义.11.2转子的损耗与温升的研究现状和分析.21.2.1转子涡流损耗现状.21.2.2风摩损耗的研究现状.41.2.3高速电机温升研究现状.51.3国内外文献综述的简析.71.4主要研究内容.7第2章高速电机内流场的解析.92.1引言.92.2高速电机中流体的控制方程.92.2.1流体的连续性方程.102.2.2流体的运动方程.102.2.3流体的能量方程.102.3定转子气隙流场模型分析.112.3.1气隙内流态分析.112.3.2气隙内风摩损耗的经验公式.142.4基于计算流体力学的流体场求解.172.5本章小结.19第3章高速电机中风摩损耗影响因素研究.203.1引言.203.2影响定转子气隙的风摩损耗的因素研究.213.2.1转子转速对风摩损耗的影响.213.2.2转子外径对风摩损耗的影响.223.2.3转子气隙长度对风摩损耗的影响.223.2.4气隙内通风速度对风摩损耗的影响.233.2.5转子表面和定子开槽的影响.233.3静压轴承内的风摩损耗.243.3.1静压轴承参数.243.3.2径向轴承内风摩损耗影响因素研究.25万方数据-V-3.3.3止推轴承内风摩损耗影响因素研究.273.4降速实验分离风摩损耗.293.4.1高速电机实验测试系统.293.4.2电机风摩损耗的计算与测得.303.5本章小结.34第4章高速永磁同步电机转子涡流损耗研究.344.1引言.344.2转子涡流损耗模型的解析计算.344.2.1解析模型的建立.344.2.2转子旋转坐标系下谐波磁场的等效计算.354.2.3转子涡流损耗计算以及结果分析.374.3转子涡流损耗的影响因素研究.404.3.1损耗来源.404.3.2时间谐波对转子涡流损耗的影响.404.3.3转子周向分块.414.3.4护套材料.424.3.5铜屏蔽层.444.3.6气隙长度.454.4本章小结.47第5章高速永磁电机的温度场分析.485.1引言.485.2电机内温度场的分析.485.2.1高速电机内热源.485.2.2热路法分析温度场.495.2.3暂态温度场的求解方程与边界条件.515.3电机内各部分散热系数.535.3.1槽内绕组散热系数.535.3.2定子铁芯散热系数的确定.545.3.3定转子气隙内表面散热系数.545.3.4电机表面散热系数的确定.575.4流场与温度场的耦合.585.5空气轴承高速永磁电机的温升实验.595.6本章小结.61结论.62万方数据-VI-参考文献.64哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明和使用权限.68致谢.69万方数据-1-第1章绪论1.1课题的背景及意义高速电机有体积小,功率密度大,,提高系统传动效率等特点的同时功率因数高,转速变化范围大,可靠性高。
由于高速电机的这些突出优点,高速电机在航空航天、能源及精密制造等领域具有广阔的应用前景1-2。
高速电机主要有:
感应电机,永磁同步电机和磁阻电机。
永磁同步电机相比其它形式的电机有着效率高,转速范围大的优点,永磁同步电机应用潜力极大。
另外,在高速电机中,随着转轴转速的不断提高,传统的滚珠轴承难以承受过高的转速,轴承形式逐渐由接触式转为非接触式,非接触式的轴承目前形式主要有磁悬浮和空气。
本文研究的高速永磁电机中采用空气轴承。
永磁电机在高速运行时,由于额定频率较高,损耗增加,电机损耗密度提升,加剧了电机的温升,这成为了限制高速永磁电机使用范围的重要因素。
定子侧可以通过水冷来提高散热能力,但是转子侧的散热空间和手段有限,散热条件恶劣,温升在高速运行时常远大于定子。
而永磁体的性能与温度的关系很大,在高温下极易产生不可逆的退磁,影响高速永磁电机的正常工作3-8。
所以准确的计算并且通过分析减小高速永磁电机转子损耗和降低转子温升是设计高速永磁电机的关键。
高速电机中,转子损耗有着以下几个主要来源:
转子涡流损耗、定转子气隙内风摩损耗和轴承内损耗。
在高速电机中转子的涡流损耗的分析和气隙内风摩损耗的计算一直是难点,并且风摩损耗在气浮高速电机中与磁浮轴承相比完全不同,需要另外计算分析。
电机内的流场在这一过程中也起着比较关键的作用,空气轴承的使用带来了电机内本身流场的变化,空气轴承高速电机形式如图1-1。
1.2转子的损耗与温升的研究现状和分析1.2.1转子涡流损耗现状永磁电机中在同步旋转时,转子涡流损耗主要受到以下因素影响:
电机本身齿和槽的磁阻不一致,周向上绕组没能完全的正弦分布,电机中的电流本身带有很多时间谐波。
这样,在气隙中,磁场将含有复杂的时空谐波,这些谐波磁场再进一步作用在转子中,转子上的导电体包括护套和永磁体将产生与时空谐波有关的涡流,这样就形成了涡流损耗。
在非高速的永磁同步电机中,转子涡流损耗在电机总损耗中占比很小,不影响电机的正常工作,在设计过程中可以忽略。
但是在高速电机中,转速高引起的空间谐波频率高,采用PWM方式供电电流谐波大,成分复杂。
这样,万方数据-2-高速电机中各种时空谐波引起的总的转子涡流损耗需要在设计过程中进行有效的分析计算。
a)Westwind空气轴承高速电机b)Loadpoiat空气轴承高速电机图1-1空气轴承高速电机目前转子涡流损耗有这样两种方法可以计算,一是针对某种特定的电机根据转子域的材料以及物理属性推导涡流损耗的解析表达式,二是采用有限元法计算转子涡流密度,进而得到总的转子涡流损耗。
高速永磁电机转子磁极多采用钕铁硼这样的高能量稀土磁体,这些永磁体有着较高的矫顽力和剩磁,但是导电率较高带来了转子损耗大,并且这类永磁体的热稳定性较差,与铁氧体相比对工作温度的要求更高。
再加上高速电机中散热条件不好,这类电机容易引发永磁体退磁,并进一步影响电机的正常工作,恶化电机的性能。
因而要在设计时避免出现转子温升过高,得到准确的永磁体涡流损耗。
另由于高速电机中较高的转速,而永磁体无法承受这样的离心应力,需要外加护套以保护永磁体。
护套的材料一般采用不导磁合金钢或者碳纤维。
不导磁合金护套由于电导率较高,护套内会形成额外的涡流损耗;而碳纤维绑扎护套中,虽然电导率很小,对转子涡流损耗没有影响,但导热性较差,恶化了转子的散热性能,9。
为了准确计算转子涡流损耗,国内外的学者尝试通过建立电机的电磁场模型,理想化边界条件,利用解析的方法来计算转子涡流损耗。
谢菲尔德大学的褚自强教授等详细分析了理想边界条件下永磁电机内转子域内的磁场,包括气隙。
并在电磁场模型的基础上分析了转子的涡流损耗,电磁场模型还考虑了开槽,电枢反应以及负载的影响。
在这之后分析了永磁体中由定子磁势非正弦分布引起的涡流10-14。
江苏大学的张涛等运用双重傅里叶变换的方法,研究了磁极不同磁化方式对气隙磁场时空谐波引起转子涡流损耗的影响,通过有限元计算的方法验证了halbach结构对转子涡流损耗的影响,能有效的减小其涡流损耗15。
沈阳工业大学的王晓远通过对电机电磁场模型的分析,求解了永磁体内的涡流损耗密度。
在这一基础上,利用有限元法建议电机模型,通过软件求解了相应的涡流损耗,验证了这一公式的准确性16。
这些学者从电磁场理论出发,逐步建立了比较准确的气隙磁场模型。
万方数据-3-在永磁电机中,护套还阻碍了永磁体的散热,这样永磁体的涡流损耗会对加剧永磁电机转子的温升,这一过程影响到永磁体的稳定运行。
所以降低表贴式永磁电机转子温升最直接的方法应该是减小转子内的涡流损耗。
前述提到,电机护套材料主要为合金和碳纤维这样两种。
国内外的相关专家学者围绕如何降低这两种护套的转子涡流损耗,从转子结构的角度出发,提出了一些解决方案。
在采用碳纤维作为护套材料时,为了增加电导率,在护套与磁极之间添加高导电率的金属屏蔽套抑制涡流,通过对永磁体分段缩减涡流路径减低损耗等,这些方法都可以减小转子涡流损耗。
当采用合金作为护套材料时,护套自己就屏蔽了很多进入磁极的涡流,此时对磁极的分段效果不显著;但是在护套外加金属屏蔽层无法满足对转子强度的要求。
GE公司通过仿真的方法研究了对护套分段,转子镀铜对涡流损耗的影响,能有效抑制其损耗。
DirectDriveSystems公司为了降低涡流损耗,采用合金带材缠绕的方式作为转子护套,并在带材与永磁体间增加涡流屏蔽层,这样在降低涡流的同时不影响转子的结构强度。
一些学者发现通过对护套的合金材料进行叠片化,也能得到降低涡流损耗的效果。
目前,Synchrony公司已经将这种结构应用于NovaDrive系列产品中17-20。
国内的学者们在电机结构设计的角度去减少转子涡流损耗时,浙江大学周凤争等人提出了一种合金护套开槽的结构,通过其表面开周向槽,可以有效减小了转子损耗,并且没有严重影响转子的强度,维持电机的正常运行21-22。
在永磁体结构上,把永磁体进行分块来降低损耗。
永磁体分块一般包括轴向与轴向。
从减小气隙磁阻变化角度考虑,还有减小槽开口,增加气隙长度,选用槽数较多的基槽配合23。
高鹏飞则从辅助槽的角度考虑,设计合适形状深度的辅助槽来减小电机的电磁损耗。
沈阳工业大学的邢军强,通过有限元表明槽数的增加能有效较小转子涡流损耗,同时,金属非导磁护套相比碳纤维在限制涡流损耗上更好。
重庆大学的陈斯翔,分析高速永磁电机的电磁场模型,分析了磁钢中涡流的主要来源以及次数分布,提出了通过减小槽开口或者使用磁性槽楔以及磁钢分块的方法来减小涡流损耗24-25。
浙江大学的田占中等人,通过改变定子槽开口长度宽度和电机气隙长度以及屏蔽环的厚度来研究这些因素对转子涡流损耗的影响26。
这些国内外的学者,主要从减小转子涡流的角度,从结构上提出了一些实用的减小涡流损耗的措施,并逐步在高速电机中得到了应用和推广27-31。
1.2.2风摩损耗的研究现状普通电机中转速较低,转子表面线速度小,引起的风摩损耗较小,在设计时计算其中的风摩损耗,可以通过对相同容量电机的进行测试,得到相应的经验公式来万方数据-4-粗略的计算。
但是在高速电机中,转子转速高达几万转,转子表面速度普遍高于200m/s,此时气隙内的空气与普通电机不同以湍流的方式流动。
由于转子切的旋转会受到空气阻碍,这就形成了切向摩擦力,气隙内的通风则会类似的受到转子的轴向摩擦力,这些摩擦力进一步产生了风摩损耗。
准确的计算风摩损耗需要得到这些的空气摩擦系数。
然而对于处于紊流状态的流体,空气摩擦损耗系数难以计算。
1998年,芬兰赫尔辛基理工大学的JuhaSaari为了得到高速电机的风摩损耗,总结了1933年以来的相关风摩损耗计算公式,通过实验的到的数据拟合得到了一系列情况下风摩损耗的经验公式32。
如表1-1所示。
表1-1一些风摩损耗经验公式的条件年代作者介质转速(r/min)转子尺寸r、l、(mm)雷诺数表面情况1933Wemdt水水-甘油-100-137.55809.5-47-光滑1944TheodorsenandRegier空气油水煤气-152.4-1219.26.4-76.2自由空间-4-400000光滑1962Yamada水机油90-500018028.8-31.70.43-3.326000-600000-20000-光滑1973BilgenandBouolos水水-甘油300-1500212.7-249.21270.31-1.75-20000-60000-光滑1990UeyamaandFujimoto空气0-10000013.8-光滑然而这些经验公式的适用范围有限,随着时代的发展,极端条件的增加,经验公式逐渐无法满足工程需要。
瑞典的O.Aglen也总结了风摩损耗的解析表达式33。
这些解析法中的摩擦系数无法通过流体力学的方程解得。
只能依靠实验的方式,通过经验公式确定,这样得到的风摩损耗难以与实际有较大的误差。
20世纪50年代后,计算机技术得到快速发展,数值分析和流体力学间逐渐产生了一个新的交叉学科,称为计算流体力学。
利用计算机强大的计算能力数值计算流体的控制方程。
对于定子-转子腔内的研究工作,逐渐使用了计算流体力学的方法。
另外,在高速电机不同的轴承系统中,由于气体流动的路径和速度不同,风摩万方数据-5-损耗的计算也有很大差异,所以风摩损耗的计算在静压轴承,动压轴承和磁轴承系统中与实验结果有较大差距。
近年来,由于数值
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