Analysis of temperature field for a surface-mounted and interior permanent magnet synchronous motor adopting magnetic-thermal coupling method

Aiming at obtaining high power density of surface-mounted and interior permanent magnet synchronous motor(SIPMSM),it is important to accurately calculate the temperature field distribution of SIPMSM,and a magnetic-thermal coupling method is proposed.The magnetic-thermal coupling mechanism is analyzed.The thermal network model and finite element model are built by this method,respectively.The effects of power frequency on iron losses and temperature fields are analyzed by the magnetic-thermal coupling finite element model under the condition of rated load,and the relationship between the load and temperature field is researched under the condition of the synchronous speed.In addition,the equivalent thermal network model is used to verify the magnetic-thermal coupling method.Then the temperatures of various nodes are obtained.The results show that there are advantages in both computational efficiency and accuracy for the proposed coupling method,which can be applied to other permanent magnet motors with complex structures.

Temperature Field Analysis of Mine Flameproof Outer Rotor Permanent Magnet Synchronous Motor with Different Cooling Schemes

Aiming at the problem of temperature rise of mine flameproof outer rotor permanent magnet synchronous motor,based on the fluid structure coupling method,the temperature distribution of motor under three cooling schemes of air cooling and water cooling are calculated respectively.For the structure I air cooling system,the influence of different number of heat sink on the maximum temperature rise and pressure drop of fluid channel is analyzed,and the parameters of heat sink are optimized.For the structure II air cooling system,the influence of setting fillet at the turn back of the fluid channel on the head loss in the fluid domain of the motor is analyzed,and the influence of different fillet radius on the head loss and the maximum temperature rise in the fluid domain is obtained.For the structure II water cooling system,the influence of different water flow speed on the maximum temperature rise of the motor is analyzed,and the influence of different assembly clearance of modular stator teeth and yoke on the maximum temperature rise of the motor is analyzed.The cooling effect and temperature rise distribution characteristics of the three cooling schemes are compared and analyzed.Finally,a water-cooled prototype is manufactured,and the temperature rise experiment is carried out,and the influence of the thermal deformation of fluid channel,stator yoke and stator teeth on the maximum temperature of the motor is analyzed.The results show that the calculated temperature field after considering the thermal deformation is closer to the experimental value,which verifies the accuracy of the calculation results,It also provides a reference for the selection and design of the cooling structure of the same type of PMSM electric roller.

基于磁热耦合法的非对称混合磁极永磁电机热分析

针对传统内置永磁电机损耗高、发热量大的问题,提出非对称混合磁极永磁电机拓扑结构.介绍非对称混合磁极永磁电机的拓扑结构,对比分析两者的电磁特性与损耗分布特性.针对非对称混合磁极永磁电机分布式绕组的结构特点,对绕组进行等效处理,确定等效导热系数,建立集中参数热网络模型.建立单向磁热耦合模型,计算电机各部件的温度分布,验证了热网络模型的正确性.考虑到温度对永磁材料的影响,建立双向磁热耦合模型,对比分析不同电流密度对电机温升的影响规律.试制一台样机并搭建温升试验平台进行温升试验,验证了新型拓扑结构的有效性与合理性以及磁热双向耦合法计算结果的准确性.

基于流固耦合的牵引电机流动特性分析

为了研究电机轴向通风冷却系统的电动机内部情况,本文以某大型矿用电动车轮牵引电机为例,对其轴向通风冷却与传热进行了研究。基于流体力学以及传热学理论,结合电机轴向通风性能以及结构特点,建立了电机三维流动与传热耦合求解的有限元模型,并给出基本假设与相应的边界条件。通过计算电机内部的电磁场和温度场,采用有限体积法对三维流体场和温度场控制方程进行耦合,避免了利用经验公式计算模型间的换热系数带来的误差,能够获得更加精确的温升及冷却结果。在此基础上,通过对电机进行流固耦合计算,研究流量分配对通风冷却效果的影响,进而在原有模型上分析不同流量、不同定子流道、不同流道宽度对电机温度场及流阻的影响,并提供优化流道从而有效降低电机最热温度区域。通过对实际运行车辆电机温度场及冷却阻力监控验证了仿真计算的准确性。通过流固耦合分析方法将有助于电机的散热优化设计,为更大功率的电机综合物理场的准确计算提供了理论依据。

E型分块定子永磁同步电机热分析及优化

分块定子永磁同步电机作为一种新型电机拓扑结构,具有高容错性、高转矩密度等特点,同时存在电机损耗大的问题,威胁到电机性能的稳固性。以E型分块定子永磁同步电机为研究对象,分析电机损耗机制,研究不同运行工况下电机损耗变化规律;采用磁热双向耦合法对电机进行热分析,并基于热分析结果采用响应面优化方法对电机进行多目标优化设计。优化后,电机平均输出转矩提升了14.15%,涡流损耗降低了55.99%,平均温升降低了12.62%。最后通过实验验证了双向磁热耦合法的准确性及优化设计的有效性。

基于Sobol法的固体火箭发动机喷管参数的灵敏度分析

为了准确量化材料参数与结构参数的不确定性对固体火箭发动机喷管热破坏的影响,基于Sobol法发展了一种喷管参数的灵敏度分析方法。该方法首先通过完全耦合热力分析得到喷管的应力分布及喉衬与扩张段上的应力极值;然后分别在喉衬与扩张段的不确定性参数中选取对应力极值影响较大的材料参数和结构参数进行随机取样,并将得到的样本作为输入变量代入喷管热力分析中,获取应力极值处的等效应力和环向应力两组输出响应;最后基于Sobol法对输入样本和输出响应进行分析,得到各参数的灵敏度值。分析结果验证了该方法的有效性,并表明对于喉衬,等效应力极值和环向应力极值的敏感参数均为材料线膨胀系数;对于扩张段,除了材料线膨胀系数外,等效应力极值和环向应力极值对结构夹角的变化同样较为敏感,材料线膨胀系数的变化对环向应力极值的影响最为显著,而结构夹角的变化对等效应力极值的影响更显著。

Analysis and FDTD Modeling of the Influences of Microwave Electromagnetic Waves on Human Biological Systems

The interactions of electromagnetic waves with the human body are complex and depend on several factors related to the characteristics of the incident wave, including its frequency, its intensity, the polarization of the tissue encountered, the geometry of the tissue and its electromagnetic properties. That’s to say, the dielectric permittivity, the conductivity and the type of coupling between the field and the exposed body. A biological system irradiated by an electromagnetic wave is traversed by induced currents of non-negligible density;the water molecules present in the biological tissues exposed to the electromagnetic field will begin to oscillate at the frequency of the incident wave, thus creating internal friction responsible for the heating of the irradiated tissues. This heating will be all the more important as the tissues are rich in water. This article presents the establishment from a mathematical and numerical analysis explaining the phenomena of interaction and consequences between electromagnetic waves and health. Since the total electric field in the biological system is unknown, that is why it can be determined by the Finite Difference Time Domain FDTD method to assess the electromagnetic power distribution in the biological system under study. For this purpose, the detailed on the mechanisms of interaction of microwave electromagnetic waves with the human body have been presented. Mathematical analysis using Maxwell’s equations as well as bio-heat equations is the basis of this study for a consistent result. Therefore, a thermal model of biological tissues based on an electrical analogy has been developed. By the principle of duality, an electrical model in the dielectric form of a multilayered human tissue was used in order to obtain a corresponding thermal model. This thermal model made it possible to evaluate the temperature profile of biological tissues during exposure to electromagnetic waves. The simulation results obtained from computer tools show that the temperature in the biological tissue is a linear function of the duration of exposure to microwave electromagnetic waves.

高速电主轴热特性建模与冷却系统参数优化方法研究

电主轴热变形是影响加工精度的主要因素之一,而热变形主要由电主轴温升引起,其中冷却系统是影响电主轴温升的关键因素。为了优化冷却系统关键技术参数,以某型号高速电主轴为例,建立了考虑主轴不同旋转面换热系数的热特性模型,提高了温度场和热误差的仿真精度,并进行了主轴不同转速的温升与热误差实验,验证了仿真模型的正确性;基于所建立的电主轴热特性仿真模型,利用正交试验法进行了冷却系统参数优化,冷却参数优化后的仿真实验结果表明,电主轴最高温度降低了2.0℃,热变形减小了25.76μm,为电主轴冷却系统优化提供了理论参考。

基于磁-热双向耦合的电动拖拉机轮边电机电磁性能分析与结构优化

为预测和评估电动拖拉机轮边驱动电机的电磁性能同时优化电磁转换装置结构,该研究以一种减速式12槽7对极永磁无刷直流轮边驱动电机为对象,建立电机电磁有限元模型并通过试验验证模型的正确性,分析了空载、半载和额定负载工况下电机的动态特性。在此基础上,基于热损耗载荷构建电机的磁-热双向耦合模型,模拟分析额定负载工况下电机的温度场分布规律。结果表明,3种工况下电机最高温度均发生在永磁体部位,温升分别为54.61、77.63和87.1℃。以气隙宽度、定子槽口宽度、永磁体间距和宽度为变量,以齿槽转矩、转矩密度和永磁体损耗为优化目标,提出一种田口法-响应面法双层多目标优化方法,确定电机最佳结构参数为:永磁体间距为0.4 mm、永磁体宽度为3.5 mm、气隙宽度为1.1 mm、定子槽口宽度为4.75 mm。仿真结果表明,优化后的电机转矩密度较优化前增加了8%,永磁体损耗降低了18.6%。样机台架试验结果表明,优化后电机齿槽转矩较优化前降低了20.9%,验证了所提优化方法的有效性,对电机性能研究具有一定的参考价值。

双分数槽潜油永磁电机磁热耦合分析

针对潜油永磁电机温度过高导致定子绝缘层脱落和转子永磁体受热产生不可逆退磁问题,在定子外径不增大的情况下,提出一种特定空间角度的双分数槽集中绕组结构。首先,根据特殊的绕组结构利用有限元法对该电机模型不同时刻的磁势进行求解分析。其次,在二维瞬态场中分别得到电机空载和额定负载工况下的电磁特性。最后,利用电磁场和温度场结合的多场耦合法求解电机定子、转子、永磁体和线圈的温升。结果表明,在不改变定子外径的情况下双分数槽集中绕组结构能够有效降低电机整体温度,其中永磁体温升下降8.74%,线圈温升下降36.4%,证明了此结构设计的合理性。

隔层式双脉冲发动机尾部点火过程流固耦合特性研究

为研究隔层式双脉冲发动机Ⅰ脉冲尾部点火过程对隔层和Ⅱ脉冲药柱结构完整性的影响,以雷诺时均Navier-Stokes方程、k-ωSST湍流模型和固体推进剂热传导方程为基础,基于耦合传热方法建立推进剂点火与燃烧加质模型,同时结合流固耦合方法,详细分析了点火过程中燃气的非定常流动特性以及燃气冲击作用下隔层和Ⅱ脉冲药柱结构的力学特性。计算结果表明,尾部点火药气体喷射入药柱后端内孔和翼槽内形成回流区,导致翼槽侧表面首先点燃,同时迅速产生了二次着火点,加快了火焰传播过程,提高了升压速率;点火过程中燃烧室内初始低温气体被挤压至燃烧室头部,并与高温燃气持续相互作用,引起燃烧室头部压力剧烈振荡;点火冲击过程中,隔层表面压力差距较大,隔层外表面上等效应力最大值为3.7MPa,最大总变形量达10.1mm。

小推力长工作时间固体火箭发动机喷管温度仿真分析

利用FLUENT发展了一种瞬态流-固-热一体化一步耦合三维有限元分析方法,并用该方法分析了一种采用无铝PET推进剂的小推力长工作时间(130 s)固体火箭发动机喷管温度场分布情况。分析结果表明,从喷管中心到喷管表面温度逐渐降低,喷管喉部中心温度达到2200℃以上,喉衬温度为1481~2000℃,隔热层温度为134~1864℃,壳体温度为134~234℃;喷管中心轴线上各点的温度开始时急剧增加,20 s后基本保持不变,从喷管出口到喷管入口,沿喷管中心轴线温度逐渐增加;喷管壳体表面温度随工作时间增加而增加,随离喷管出口的距离增加先增加而后逐渐降低;喷管喉部壳体表面温度最高,达220℃左右;推进剂燃温增加,喷管金属壳体表面温度呈线性增加;换热系数增加,金属壳体表面温度近似线性降低;燃烧室压强变化对金属壳体表面温度影响不大;隔热材料EPDM、5-Ⅲ和GFM降低金属壳体表面温度的效果突出。选用合适的隔热材料,做好喷管喉部位置的热防护是降低喷管壳体表面温度的有效方法。发动机试车结果与仿真结果吻合,验证了仿真分析方法的正确性。该瞬态流-固-热耦合一体化一步分析法,克服了过去流-固-热耦合方法步骤多、绝热假设不符合实际情况的局限性,可为合理设计固体发动机喷管、控制喷管温度提供依据。

高速电主轴角接触球轴承热-力耦合特性研究

在高速电主轴转子系统中,角接触球轴承的工作特性受温升的影响显著,极易产生胶合。为了得到更加精确的角接触球轴承瞬态温度场,建立了考虑自旋的角接触球轴承生热及传热模型,并利用MATLAB软件得到了轴承的生热量,随后建立了轴承的三维参数化模型,并基于显示动力学理论在LS-DYNA平台上进行了热-力耦合有限元仿真分析,且对影响轴承瞬态温度场的主要因素进行了研究。研究结果表明:转速与温升呈非线性正相关;高转速下轴承温升对预紧力更加敏感;生热量随预紧力的增加逐渐增大,当施加的预紧力大于最小预紧力时,温升随预紧力增加而变大。研究可为高速电主轴轴承的设计和稳定性分析提供理论参考。

高速电主轴热-结构耦合及选材分析

高速电主轴热变形问题一直是影响加工精度的重要因素。为降低电主轴的温升和轴向热伸长量,对某电主轴的热源及热边界条件进行分析,利用ANSYS Workbench软件进行热-结构耦合仿真,得到电主轴温度场和热结构耦合场;搭建实验台测试电主轴系统的温度场和轴向热伸长,验证有限元模型建立的正确性。最后选用38CrMoAl、ZrO_(2)、Si_(3)N_(4)、玻璃陶瓷作为主轴材料进行热-结构耦合对比分析。结果表明:陶瓷材料在热态性能方面优于钢材,玻璃陶瓷材料热态性能最好。

钻井直驱电动机全域温升预测及风冷系统性能提升

针对钻井用直驱电动机电磁负荷高、功率密度大、发热严重的问题,以一台600 kW轴向强迫风冷电动机为例,对其建立包含全域风冷系统且高度还原绕组端部几何特征的流-热耦合分析模型,得到电动机内部流-热分布特性,发现现有风路结构中,出风侧端部空间存在大量涡流,据此,提出在转子端面压板加装导流叶片,以改善端部区域流体传热性能。通过数值分析研究电动机入风侧、出风侧两端分别单独加装和两端同时加装时,安装位置对电动机内流体流动情况及散热性能的影响规律。结果表明,在入风侧单独安装时,定子绕组热点温升降幅最大,达7.7 K;在出风侧单独安装时,出风侧端部空间涡流明显减少,转子区域最高温升下降3.4 K;两侧均安装时,电动机整体冷却效果最佳。最后经样机试验验证了方法的准确性及风冷性能提升的有效性。

基于热-流-固耦合建模的精密机床主轴差异冷却策略优化

针对以往的热模拟方法很难准确预测主轴的热行为,采用了一种热-流-固耦合主轴有限元建模方法,用于精确模拟流动冷却液与主轴结构之间的传热过程。并且在所建立的主轴热特性模型基础上还提出了一种差异冷却策略(冷却液供给温度和流量)的优化方法。该方法根据给定的主轴加工条件(如4000 r/min转速和20℃环境温度)得出优化的差异冷却策略,优化的差异冷却策略和给定的加工条件的综合作用,使主轴具有良好的热性能(稳定的温度场和最小的热误差)。最后,基于差异化的冷却装置进行实验,实验验证了该热-流-固耦合有限元主轴建模方法的可靠性,优化的差异冷却策略能有效地稳定主轴温度场。此外,还验证了稳定的主轴温度场能使主轴热误差最小。

接触热阻和热诱导载荷下的电主轴热特性

为了更准确地研究电主轴的热态性能,建立同时考虑接触热阻和热诱导载荷的电主轴流-热-固耦合模型。首先,基于轴承内部载荷计算理论和外滚道控制理论建立热诱导载荷的计算模型;其次,采用蒙特卡罗法建立接触热阻的计算模型;最后,以某型号电主轴为研究对象,采用ANSYS与MATLAB联合仿真方法,分析接触热阻和热诱导载荷与电主轴热态性能的关系,并通过搭建试验平台进行试验验证。研究表明,考虑接触热阻的电主轴整体温度比不考虑接触热阻高,热诱导载荷与轴承的生热量属于相互影响的关系,考虑热诱导载荷和接触热阻情况下的仿真与试验吻合更好。

Study of the thermal influence on the dynamic characteristics of the motorized spindle system

The severe internal heat generation of the motorized spindle system causes uneven temperature dis- tribution, and will affect the vibration characteristics of the system. Based on the thermal analysis about the motorized spindle by finite element method （FEM）, the thermal deformations of the spindle system are calculated by the thermal structure coupling simulation, and the thermal deformations of the rotor and the bearing units are extracted to analyze the bearing stiffness changes so that the modal characteristics of the rotor can be simulated in different thermal state conditions. And then the rotor thermal deformation experiment and the modal experiment of spindle by exciting with hammer are performed. The result shows that the thermal state of the motorized spindle system has a significant influence on the natural frequency of the rotor, which can be carefully treated when a spindle system is designed.

基于热阻网络和流固耦合的永磁力矩电机温度场研究

为研究永磁力矩电机的温度场,考虑电机各部件比热容、导热系数、动力黏度、流体边界条件、对流换热系数的影响,建立永磁力矩电机的热阻网络模型和流固耦合模型,对永磁力矩电机进行瞬态温度场仿真分析。将基于两种模型所得的热计算结果进行对比,并建立样机温升试验平台开展温度试验。试验结果表明,两种模型的温度变化趋势与试验结果接近,偏差在5%以内,由此验证两种模型的精确度与正确性,为永磁力矩电机的温度场研究提供了方法。

轮毂电机轴向U型水道冷却结构研究

为解决电动汽车运行中轮毂电机散热困难及端部绕组高温的问题,以一款电动汽车外转子轮毂电机为研究对象,提出一种新型的轴向U型水道冷却结构设计.建立轮毂电机磁热耦合仿真模型,通过对电机损耗分析获得电机温度场分布,进行轴向U型水道的设计与流热耦合分析.结果表明,采用U型冷却流道后,电机内部的高温,特别是端部绕组的高温问题得到有效改善,温升降低了28.7%.