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永磁球形電動機永磁體渦流損耗計算與溫升分析

來源: www.dcfrg.com.cn 作者:lgg 發布時間:2017-08-14 論文字數:38459字
論文編號: sb2017081116362116834 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是電氣自動化論文,本文主要圍繞永磁球形電動機的永磁體渦流損耗計算與溫升問題展開研究工作,詳細研究了計算永磁體渦流損耗的數學模型及其預測電動機溫升的 3-D 等效熱網絡方法。
第一章  緒論 
 
1.1  引言 
為了避免永磁體因發熱而導致不可逆退磁的問題,就需要量化永磁體內的渦流損耗,進而才能采取相應降低永磁體渦流損耗的措施。 另一方面,在工作時,電動機各結構中由于損耗生成的熱量會在各結構之間進行相互傳遞,當傳遞過程達到動態平衡后,便會以電動機的整體溫升情況表現出來。因此,在得到電動機結構相應的損耗值后,還需要對電動機的整體溫升情況進行綜合研究,進而才能分析各電動機結構的溫升是否符合要求。 所以,探索出針對永磁球形電動機永磁體渦流損耗計算與電動機溫升分析的準確方法,能夠為永磁球形電動機未來的研究奠定重要的基礎。 
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1.2  永磁體渦流損耗計算與電動機溫升分析現狀
縱觀國內外學者關于永磁體渦流損耗的研究,本質上主要局限于采用解析法和有限元法對電動機永磁體渦流損耗進行二維建模,雖然應用的方法不盡相同,但大體可以分為三類:有限元法,等效磁路法與解析法。有限元法在電動機分析中的應用已經很廣泛,原因是它幾乎可以用來分析任何一種結構的電動機,無論復雜的還是簡單的,并且也被證實有很高的準確性。而很高準確性的前提是準確的模型,因而三維(3-D)有限元法的應用很有必要。但是,有限元方法的一個很大的不利條件是對于復雜的模型需要很長的計算時間,少則數小時,多則數天,甚至十幾天,這在很大程度上限制了其在電動機初始設計中的應用,即使是在計算機技術水平已經發展到很高水平的今天。而且,有限元法不便應用于存在多種參變量在較大范圍內變動的初始和改進設計情況[4],這對于科研工作者來說是不得不面對的麻煩。針對 3-D 有限元法高耗時問題,在現有的計算機水平的基礎上,不少學者對傳統的有限元法進行了不同的改進,目的就是盡量縮短計算所建立的模型的時間。而且達到了較滿意的效果。將有限元法應用到電動機分析可以追溯到 1970 年,文獻[5]第一次將有限元法應用到電動機的電磁場分析,考慮到了磁飽和效應,并且進行了實驗驗證,證明了該方法的準確性,這為有限元法在電動機分析中的應用奠定了基礎。永磁電動機的應用在早期還并不廣泛。因而,有限元法多用于感應電動機的鐵耗分析,文獻[6]應用有限元法建立了感應電動機的動態模型,對電動機的定、轉子的鐵損耗進行了分析。文獻[7]則基于 Preisach 模型,運用有限元法計算了感應電動機的鐵心損耗。在此基礎上,文獻[8]給出了鐵心損耗計算的三種方法,也都是由有限元法提供相關數據的。文獻[9]應用有限元法預測了感應電動機定子繞組的溫升情況。隨著永磁電動機的日益普及,關于永磁電動機的渦流損耗的研究越來越受到重視[10-11]。 但是,以上所涉及的有限元法都是應用于建立在極坐標系下的模型,即二維(2-D)模型。對于分析對象為電動機的情形,這就需要兩個假設條件[25]:一個是電動機軸向長度是無限長的,另一個是實心導體兩端之間的壓降為零,即對電動機的任何一個軸向橫截面進行分析均可代表整個電動機的特性。這并不符合實際情況,所得分析結果很難反映電動機的真實特性。比如,在應用 2-D  有限元方法計算永磁體內的渦流損耗時,需要假設永磁體的軸向長度尺寸遠遠大于永磁體的寬度尺寸。這就沒有辦法考慮到永磁體內渦流損耗在軸向的不均勻分布。因而,為了能夠更加準確地對整個電動機進行分析,3-D 分析就很有必要了[12-16]。其中,文獻[12]應用 3-D 有限元法得出了將永磁體進行軸向和(或)周向分隔可以降低永磁體內渦流損耗的結論。K. Yamazaki 等人應用 3-D 有限元法對永磁電動機的轉子渦流損耗進行了一系列分析。在文獻[13]中,作者分析了內置式永磁電動機永磁體軸向分隔不同塊數情況下的渦流路徑,并且被分析的對象為分布式繞組電動機。作者認為,分布式繞組電動機與集中繞組電動機的永磁體渦流損耗的產生機制是不同的,文獻[14]得出結論,后者產生的永磁體渦流損耗較前者要大的多。基于該結論,在不嚴重影響轉矩的情況下,作者對集中繞組電動機的轉子與定子的形狀進行了改進,來降低永磁體內產生的渦流損耗。結果證明,改進措施可以將損耗降低至原來的一半[15]。隨后,為了進一步減少永磁體渦流損耗以及工程成本,作者在文獻[16]中分別探索了適合內置式永磁電動機與表貼式永磁電動機的永磁體分隔方法。 
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第二章  永磁球形電動機永磁體渦流損耗分析 
 
本章首先闡述了永磁體渦流損耗的產生原理,然后針對永磁球形電動機的結構特點建立了一種永磁體渦流損耗的數學模型,該模型將雙重傅里葉級數法與矢量磁位解析法相結合,并充分考慮到了時間諧波與空間諧波對渦流損耗的影響,為研究復雜結構的永磁體的渦流損耗提供了一種新思路。 
 
2.1 永磁體渦流損耗產生的機理 
當交變磁力線從導電體中穿過時,感應電動勢則會在導電體中產生,感應電動勢會在導體內生成電流,電流則會產生損耗,從而使得導體產生熱量。我們把這種由于導體中穿過交變的磁力線,從而生成感應電動勢與電流的現象稱為渦流。對于永磁電動機而言,電動機轉子上永磁體內渦流的產生原因是電動機的氣隙磁場中存在著大量的空間和時間諧波分量。 渦流損耗的產生機理可以由以下例子說明。永磁體轉子磁極所用樣本材料為釹鐵硼,在永磁球形電動機永磁體上任取一長方體有限元(由于有限元足夠小,即使永磁體是圓弧狀的,在極限情況下可以近似為長方體)。如圖 2-1 所示: 
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2.2  永磁球形電動機永磁體渦流損耗的計算
本文研究對象的實物模型如圖 2-2 所示。電動機的定子線圈被平均分為 3 層,每層都包含 18 個定子線圈,按 S 極與 N 極交替放置的 6 塊永磁體安裝在球形轉子上,電動機的結構名稱如表 2-1 中所示。其中,位于鋁心與定子繞組上的節點a、b、c、d、e 和 f 將在下一章節中進行相應的說明。為了得到永磁球形電動機的永磁體渦流損耗的數值,就需要計算出在永磁體內與氣隙處定子線圈所產生的電磁場分布,而這就要獲得線圈位于定子內徑處的電流密度分布。 圖 2-3(a)給出了永磁球形電動機的全部線圈以及磁極的三維模型,而圖 2-3(b)則給出了局部線圈與單個磁極的三維模型,其中,Rm、Rs與 Rr分別為磁極的外徑、定子的內徑與磁極的內徑,θr表示單個磁極的經度角,αb為線圈間隙所對應得機械角度,φr表示單個磁極的緯度角,O 為球形電動機的球心。 
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第三章 永磁球形電動機溫升分析 .... 32 
3.1 等效熱網絡模型的熱源 ........ 32 
3.1.1  永磁體渦流損耗與磁滯損耗 ........ 32 
3.1.2 定子繞組的銅耗 .......... 33 
3.1.3 定子與轉子鋁損耗 ...... 34 
3.2 永磁球形電動機的 3-D 等效熱網絡模型 ....... 34
3.3 有限元模型驗證 ........... 40 
3.4 本章小結 ..... 43 
第四章 永磁球形電動機結構改進 .... 44 
4.1 電動機散熱片的工作原理 .... 44 
4.2 不同樣式散熱片的散熱性能對比 .......... 45 
4.3 針對永磁球形電動機機體上散熱片的改進 ............ 46 
4.4 本章小結 ..... 48 
第五章 總結與展望 .......... 49 
 
第四章  永磁球形電動機結構改進 
 
對電動機結構的改進可以分為對轉子的改進和對定子的改進兩大類,電動機所應用較多且有效的方法是改進定子結構。這有兩個原因[109]:一是定子是最主要的散熱部位;另一個是繞組緊挨著定子,有利于繞組的散熱。本章主要圍繞改進定子球殼的結構來分析。 
 
4.1   電動機散熱片的工作原理 
電動機的外殼是電動機進行散熱的一個極其重要的部位。我們所常見的電動機的外殼并不是光滑的曲面。而是覆蓋著一層鱗片狀的結構,這就是我們所常說的散熱片。絕大多數的電動機都會有散熱片的原因可以由以下內容來說明[108]。圖 4-1 的左側表示的是光滑的平面的散熱情形,如果散熱表面的溫度恒定不變,根據式(4-1)可知,有兩種方法可以加快散熱:一種是通過加快流體的流速來提高換熱系數的數值;另一種是降低流體的溫度。但是,對于常見的風冷設備來說,加快空氣的流速意味著需要為鼓風機等裝置提供更多的功率,增加了成本;而降低空氣的溫度意味著降低環境溫度,這通常是不符合實際的。 另一種思路就是增加散熱面的面積,如圖 4-1 的右側所示。這就是添加散熱片的原因。另外,對于散熱片的材料,應該選取熱導率大的,從而使散熱片自底部至頂部的溫差盡量小。這樣可以使散熱效果達到最佳。 
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總結
 
為了滿足將自動化裝置小型化的現實要求,從減少裝置中的單自由度電動機個數入手,對永磁球形電動機進行了研究和分析。然而,針對永磁球形電動機永磁體渦流損耗的研究還是空白。渦流損耗的聚集將會使永磁體升溫,甚至會導致部分不可逆退磁。因而,溫升問題關系到電動機的運行性能甚至是壽命。半封閉結構的永磁球形電動機加重了電動機的溫升問題。所以,很有必要對永磁球形電動機的溫升進行分析。本文圍繞永磁球形電動機永磁體渦流損耗的計算與電動機溫升分析相關問題,深入研究了三維永磁體渦流損耗計算模型與三維電動機溫升分析模型。主要內容總結如下: 
(1)首先,介紹了課題的研究背景,詳細分析了國內外關于永磁體渦流損耗的計算方法與關于電動機溫升的分析方法。通過將各種方法進行歸類分析,描述了它們各自的優點與缺點。在此基礎上,總結出了現階段關于永磁體渦流損耗計算方法與電動機溫升分析方法還存在的不足之處。 
(2)其次,提出了一種適合于永磁球形電動機結構特點的計算永磁體渦流損耗的 3-D 解析模型。通過該模型,推導得到了永磁球形電動機永磁體渦流損耗計算的解析表達式。分析了電動機永磁體厚度與電動機氣隙長度對永磁體渦流損耗的影響情況。該數學模型為計算復雜結構永磁體的渦流損耗提供了一種新的思路。 
(3)再次,給出了一種適合于永磁球形電動機結構特點的預測電動機溫升的 3-D 等效熱網絡模型。應用該 3-D 等效熱網絡模型分析了不同轉速與負載對電動機溫升的影響情況。基于這種模型,可以快速地預測電動機各結構的溫升情況,并且能夠反映同一電動機結構的不均勻溫升。 
(4)最后,針對永磁球形電動機球殼結構進行了改進,增加了結構參數較合適的散熱片,使得電動機的各結構的溫升在一定程度上得到了降低。分析結論為永磁球形電動機通風冷卻系統的設計奠定了理論基礎。 
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參考文獻(略)

原文地址:http://www.dcfrg.com.cn/dqzdh/16834.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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