高速永磁电机转子空气摩擦损耗研究

高速电机旋转速度每分钟数万转甚至高达数十万转,其转子表面的空气摩擦损耗要比普通电机高得多,在总损耗中占有较大比例。转子表面的空气摩擦损耗与电机转速、气隙结构及转子表面粗糙度等多种因素有关,很难通过理论分析和解析方法准确计算。基于3D流体场模型,对高速永磁电机的转子空气摩擦损耗与电机转子转速、表面粗糙度及轴向风速的关系进行了分析,并针对一台额定转速60000r/min的磁悬浮转子高速永磁电机,进行了转子空气摩擦损耗的计算及测试方法研究。通过电机空载试验,根据转子空气摩擦损耗和定子铁耗与电机转速之间的关系,可将空气摩擦损耗从总损耗中分离出来。实验结果和计算值一致,表明基于流体场分析的高速电机转子空气摩擦损耗计算方法是有效的。

高速永磁爪极电机铁耗与空气摩擦损耗计算

高速电机由于采用高频电源供电,铁心损耗较常规电机突出,且高速旋转引起的空气摩擦损耗亦非常严重。此外爪极电机磁路结构复杂且其磁通呈三维分布,因此需要考虑三维磁场、高频谐波和高速旋转等因素,针对该种高速电机损耗计算模型进行研究。首先通过三维有限元电磁仿真软件对该种电机的磁场分布特点进行分析;然后采用三维正交交变磁化近似等效旋转磁化建立铁耗计算模型,并考虑高频谐波对其影响,通过与有限元软件计算结果对比,验证了计算模型的准确性;此外针对转子转速、转子表面光滑度、轴向风速等因素对空气摩擦损耗的影响进行分析;最后通过实验验证了铁心损耗和空气摩擦损耗计算方法的准确性。

高速电主轴内置电机空气摩擦损耗研究

为研究高速电主轴内置电机空气摩擦损耗随电机转速的变化规律,采用解析和计算流体动力学两种方法对不同转速工况下的内置电机空气摩擦损耗进行了理论分析。结果表明,基于解析计算得到的空气摩擦损耗与采用计算流体动力学方法仿真的结果基本一致。通过电机空载试验,采用损耗分离法得到不同转速下内置电机的空气摩擦损耗,试验数据和仿真分析结果相吻合,表明对高速电主轴内置电机空气摩擦损耗解析与仿真的方法是有效的。

高速电主轴空气摩擦损耗数值模拟研究

在高速电主轴设计中,定转子间气隙内空气摩擦损耗已成为不可忽略的一部分。分别采用解析法和计算流体动力学方法对高速电主轴空气摩擦损耗进行了分析和仿真模拟,同时分析了转子转速、转子表面粗糙度和气隙结构对空气摩擦损耗的影响。结果表明,采用计算流体动力学方法仿真获得的空气摩擦损耗与解析法计算得到的结果基本一致;空气摩擦损耗与转子转速的2.5次方成正比关系,与转子表面粗糙度成线性关系,转子转速对空气摩擦损耗的影响较粗糙度显著;定子槽口影响气隙内流体的流动状态,但定子槽口的形状对空气摩擦损耗影响较小。

超高速空气静压轴承电主轴损耗及热特性分析

电主轴作为高度集成的机电一体化产品,相对于传统的机床主轴,其将主轴电机集成内置到主轴内部,具有结构紧凑、低惯性、高转速、低噪声、快速响应等优点,但由于电机集成于主轴内部,运转时产生的大量热量,会引起电主轴温度快速升高,使电主轴的热态特性和动态特性变差,进而影响电主轴的正常加工甚至出现运转过程中卡死。为定量计算整机的损耗及发热变形情况以解决此问题,通过建立超高速空气轴承电主轴热特性分析模型,采用解析法与有限元仿真相结合的方法,求解电主轴轴芯空气摩擦损耗、电机损耗,获得了电主轴温升等热态特性参数,并通过试验验证分析模型和方法的准确性,研究模型中轴芯空气摩擦损耗理论计算数值与实验数值偏差在2%以内,为电主轴设计提供了理论依据。

LNG泵用低温高速永磁电机转子摩擦损耗研究

以一台额定转速为35000 r/min的低温高速永磁电机为例,研究电机转子在液化天然气(LNG)中的摩擦损耗。为得到低温高速永磁电机转子LNG摩擦损耗随电机转速的变化规律,基于流体力学原理,建立三维流体场物理模型,对不同转速下电机转子LNG摩擦损耗进行计算,并分别考虑介质轴向流速、介质温度、转子表面粗糙度等因素对电机转子LNG摩擦损耗的影响,揭示电机转子LNG摩擦损耗与各个影响因素之间的数值关系。同时,利用解析法计算不同转速下电机转子LNG摩擦损耗。将解析计算结果与数值计算结果进行对比,验证数值法的有效性。此外,对比空气对电机转子摩擦损耗的影响,随着电机转速的变化,电机转子LNG摩擦损耗的变化规律与空气摩擦损耗变化规律相似。

全封闭高速永磁电机转子结构对转子散热的影响

为研究转子物理结构对机壳水冷全封闭式高速永磁电机转子散热的影响,以一台15k W、30 000r/min的非晶合金高速永磁电机为例,基于流体力学和传热学理论,建立三维流固耦合共轭传热求解域模型,并给出基本假设与边界条件,采用有限体积法进行流固耦合求解,得到转子有无轴向通风孔和通风孔与风刺相配合时电机内流体流动特性及各部件的温度分布。在此基础上,研究通风孔尺寸、通风孔数量变化对流体场及温度场的影响。计算结果表明,转子引入风刺和通风孔等风压元件可有效提高转子的散热能力,降低永磁体温升。通过增大通风孔尺寸和数量可进一步降低永磁体温升。最后,对一台15k W全封闭式水冷非晶合金永磁电机进行了温升试验,并将试验数据与计算结果进行对比,验证了耦合场计算结果的正确性。

高速永磁电机流体场与温度场的计算分析

为了研究中小型高速永磁电机内部流体场与温度场分布规律,以一台15k W,30000r/min内置式高速永磁电机为例,基于计算流体力学和传热学理论建立了三维流体场与温度场的物理模型,应用有限体积法对流体场与温度场进行耦合计算,得到了电机内空气的流动特性与各部件的温度分布规律。针对高速电机运行时转子表面空气摩擦损耗大的问题,基于所建立的3D流体场模型,分析了转子转速、转子表面粗糙度对空气摩擦损耗的影响。研究结果表明,高速永磁电机端腔空气的流动性差,加之空气摩擦损耗的影响,导致转子温升较高,且转子转速、转子表面粗糙度对空气摩擦损耗有着重要影响。

基于等效热网络法和CFD法高速永磁同步电机热计算研究

针对高速永磁同步电机的温度场计算准确性问题,采用等效热网络法和流固耦合的数值方法,对一台水冷非晶合金定子电机进行了热计算。建立了电机的流固耦合模型,考虑电机内空气温度分布不均匀对密度、比热容、动力粘度以及导热系数的影响。基于最小二乘法原理,得到了空气物理属性随温度变化的表达式,对电机内空气施加变温物理属性,并与恒温下电机内空气恒定物理属性的温度场计算结果和转子外表面的空气摩擦损耗计算结果进行对比分析。结果表明:对机内空气施加变温物理属性后,转子高温区域面积增加,温升计算值更接近实际,并且转子外表面空气摩擦损耗降低了4.0%。最后,搭建了样机温升实验平台进行温升实验,验证了等效热网络和流固耦合法计算结果的准确性。