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1、毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明:所呈交的设计(论文)是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。学生签名:日期:20年月日毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计(论文)作者完全了解学校有关保留、使用设计(论文)的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交设计(论文)的复印件和电子版,允许设计(论文)被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本设计(论文)的全部或部分内容编入有关数据库进行检
2、索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本设计(论文)。本设计(论文)属于1、保 密 ，在 年解密后适用本授权书。2、不保密。(请在以上相应方框内打)学生签名:日期:20年月日导师签名:日期:20年月日电动汽车牵引电机冷却系统优化设计摘要随着环境问题日益严峻,新能源汽车的发展也越来越受到世界各国的关注。由于具有高效率、高功率因数和高功率密度等优点,永磁同步牵引电机正逐渐成为电动汽车牵引系统及轨道车辆牵引系统的主流电机之一。作为新能源汽车的主要动力部件,它的性能直接影响整车。电机的温升问题越来越突出,对电机的性能、效率以及寿命产生显著影响。对电机温升进行准确的计算与分析,使得整个电机各零
3、件的温升都能够保持在一定温升允许范围内,才能保证整个电机安全正常运行。为了彻底解决这些困难,需要从电机的冷却系统角度入手,设计一种冷却效果更加显著的解决方案,目前电机主要是通过风冷、水冷、油冷以及水冷与氢冷组合等多种方式进行冷却。而牵引电机通常采用水冷方式进行有效的降温,水冷电机的温升不仅因为电机内部复杂的产热模型,更与水道结构和流量相关。本文主要通过Maxwell设计一款永磁同步电机,分析电机在极端工作情况下的损耗,将损耗折算成各部位的功率损耗,然后建立电机和水套的三维模型,划分网格后再应用Fluent计算电机不同冷却工作方式下的温度场以及各个水道的压力分布,比较不同水道结构、不同注水方式和
4、不同流量下电机各部位的温度场分布,确定出冷却效果更好的冷却方案,对降低电动汽车牵引电机温度,使电机能够安全稳定的运行有重要意义。关键词:永磁同步电机;水冷;水道;温度场;FluentStructural design and characteristic analysis of combustion vacuum generator AbstractWith the increasingly serious environmental problems, the development of new energy vehicles has attracted more and more att
5、ention from all over the world. Because of its advantages of high efficiency, high power factor and high power density, permanent magnet synchronous traction motor is gradually becoming one of the mainstream motors in traction systems of electric vehicles and rail vehicles. As the main power compone
6、nt of new energy vehicles, its performance directly affects the whole vehicle. The problem of temperature rise of motor is becoming more and more prominent, which has significant influence on the performance, efficiency and life of motor. Accurate calculation and analysis of the temperature rise of
7、the motor can keep the temperature rise of each part of the whole motor within a certain allowable range, so as to ensure the safe and normal operation of the whole motor. In order to completely solve these difficulties, it is necessary to design a solution with more significant cooling effect from
8、the perspective of the cooling system of the motor. At present, the motor is mainly cooled by air cooling, water cooling, oil cooling, water cooling and hydrogen cooling combination. Traction motor usually adopts water cooling method for effective cooling. The temperature rise of water-cooled motor
9、is not only due to the complex heat generation model inside the motor, but also related to the structure and flow of water channel.This article mainly through the design of a permanent magnet synchronous motor, Maxwell analysis of motor work in extreme cases of loss, loss convert into each part of p
10、ower loss, and then to establish 3 d model of motor and water jacket again after mesh Fluent are used to calculate the motor temperature field under different cooling ways of working and the pressure distribution of each channel, Comparing the temperature field distribution of each part of the motor
11、 under different waterway structures, different water injection methods and different flow rates, and determining the cooling scheme with better cooling effect, is of great significance to reduce the temperature of the traction motor of electric vehicles and ensure the safe and stable operation of t
12、he motor.Key Words:Vacuum generator; Flame extinction; Condensation; Negative pressure; Combustion;Fluent目 录标题 6,1,标题 7,1,zaiyao,1,Abstract,1,毕业设计（论文）原创性声明,1 毕业设计（论文）原创性声明I毕业设计（论文）版权使用授权书I摘 要IIAbstractIII第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.2.1 损耗与温度场研究现状21.2.2 流体场研究现状41.2.3 电机冷却系统研究现状41.3 研究内容和主要目标51.4
13、 本章小结5第2章 永磁同步电机设计及损耗分析62.1 永磁同步电机工作原理62.2 永磁同步电机结构特点72.2.1 转子结构72.2.2 定子绕组方式92.3 永磁同步电机设计102.3.1 转子结构设计102.3.2 定子设计112.3.3 电机参数132.4 损耗分析142.4.1 电机常见损耗142.4.2 Maxwell电机损耗分析152.5 本章小结16第3章 冷却水套设计及流场分析173.1 流体力学基本理论173.1.1 流体的基本物理性质173.1.2 流体流动的数学模型173.1.3 管内流体流动的损耗193.2 冷却水套模型设计203.2.1 常见水套模型对比203.2
14、.2 水套模型设计223.3 流速场分析233.4 本章小结25第4章 电机温度场分析264.1 传热基本理论264.1.1 热量传递的基本形式264.1.2 热传导定律274.2 Fluent仿真分析284.2.1 模型的处理及网格划分284.2.2 边界条件314.2.3 计算结果分析与数据对比324.3 水道散热最优结构364.4 本章小结36第5章 总结与展望375.1 工作总结375.2 研究展望37参考文献38致谢40附录41附录A 仿真数据表格41附录B 电机内部温升421.1研究背景及意义新能源汽车具有能耗低、污染轻等传统燃料汽车无法比拟的优势,可以改善能源短缺和环境污染问题。
15、中国政府高度重视新能源汽车产业的研发,将其作为战略性新兴产业和中国制造2025的重点领域。近年来在政府强有力的持续支持下,能源汽车取得了优异的成绩,但在新能源汽车的发展中,包括牵引电机冷却技术在内,还有许多技术瓶颈有待克服。电机在能量转换过程中产生的损耗最终转化为电机各部件的温升,电动汽车采用的牵引电机容量大,体积小、电机散热环境差,其工作时会产生较大的单位体积损耗,导致温升问题严重,进而影响电机的使用寿命和运行可靠性。提高电机的功率密度的同时,改善冷却系统、提高散热能力从而降低电机运行时的温升,这些是永磁同步牵引电机在电动汽车上应用时需要解决的主要问题。目前最常用的冷却方式有风冷、水冷、蒸发
16、冷却等,对于大功率、小体积或高速电机通常采用水冷方式。水冷的实质是通过冷却结构中的冷却液将电机的热量带到外部散热器然后散热器通过风冷将热量散发到周围环境中,水冷方式解决了电机本身的散热面积不足、散热环境差等问题。水冷系统使电机维持在较低的温度状态,提高电机运行可靠性,同时,水冷系统可以使电机选择更高的电磁负荷,提高材料利用率。但总的来说,水冷技术比较复杂。一个好的水冷系统水头损失比较小,从而可以降低水泵的能耗。水冷系统的设计往往与电机的温度场分析结合起来,通过对电机的温度场的分析,可以指导水冷系统的设计,而且温度场是检验水冷系统是否合格的最终标准。电机温度场分析受到诸多因素的限制,计算复杂。因
17、此对准确的温度场分析应以已知损耗为基础,计算结果要反映电机内部温度分布以及温度分布的差异,从而采取有效措施提高电机运行的安全性和可靠性。电机的温升和冷却计算是高功率密度电机设计中的欠缺环节,如果将电磁设计、结构设计与温升、水冷计算结合,电机设计水平就可以大大提高,这将对电机水冷结构的研究具有重要的理论意义和应用价值。1.2国内外研究现状1.2.1损耗与温度场研究现状电机系统结构复杂,在运行过程中存在着能量损失和效率降低的现象。其主要原因大多来自于电机运行过程中的自身产热所带来的热损耗。这些损耗会对电机的运行产生很大的影响,也会导致电机温度升高。1.2.1.1损耗研究现状电机内部的损耗绝大部分是
18、铁损、铜损,以及一部分涡流损耗。对于铁损来说,1988年Bertotti根据严密的物理推导,提出了包含磁滞损耗、涡流损耗以及异常损耗三项组成的铁心损耗模型,现如今模型的应用比较广泛1。之后很多学者都在Bertotti铁损计算模型基础上对铁心损耗进行分析,做出了很多重要的成果。2008年莫会成等人利用Bertotti的铁损分离理论,分析了硅钢片铁损的构成及其所占比重,在深入研究铁损的基础上,总结出铁损随电机技术参数变化的重要规律,对高效电机的设计具有重要的指导意义2。铜损主要是电机通电工作后,电流流过绕组后产生的损耗。电机的铜损与电机绕组阻值和绕组内的电流有关。若电机运行时铜损较大,则绕组的温升
19、较快,使得绕组阻值增大,对铜损的影响不容忽视。对于车用同步永磁电机,功率密度较高,电流密度较大,铜损所占比例较高。目前,国内对于永磁同步电机铜损方面的研究主要是集中于一些高校。西北工业大学的董蓉等人,研究了PWM占空比调速下的铜损,分析使用电机电枢电流计算电机铜损值比用母线电流得到的数值要大,他们还提出差值主要原因是由于斩波续流电流和换向续流电流所导致的,最终获得了电机在不同运行工况下时铜损占电机总损耗的比例3。2010年,美国威斯康星大学教授Patel B.Reddy等人使用有限元分析方法仿真分析了永磁同步电机绕组产生的铜损,得出的结论是利用有限元计算方式得到的结果具有很高的精度4。永磁体中
20、涡流损耗与铁心损耗中的涡流损耗不同,涡流损耗主要由电枢反应磁动势的谐波磁动势引起。其取决于电机磁通密度的分布、电流高次谐波等诸多因素。国内外学者在对转子上的永磁体涡流损耗取得了很大的成就。Jae-Do Park等人研究了电机定转子形状变化对电机外转子永磁体涡流损耗的影响5。北京理工大学博士朱卫光等,采用热网格分析方法建立了永磁体三维涡流回路分析模型和永磁体端部、轴向涡流电阻模型,仿真求解涡流场分布,并通过样机实验测出永磁体涡流损失结果,实验结果与采用热网格分析方法和温度场有限元分析方法结果高度一致6。1.2.1.2温度场研究现状损耗的产生导致电机发热,电机温升的分析与控制一直都是国内外学者所关
21、注的问题。总结国内外对电机温度场的研究,大致可分为三种方法:简略公式法、等效热路法、有限元分析法。简略公式法比较简单,计算中假定铁损和铜损只在定子(或转子)的圆柱面上散出,忽略其他部件的热交换,虽然假设不恰当,但该方法所采用的导热系数和对流系数是由电机温升实验结果确定的,计算结果与实际情况较为接近,这种方法常用于估算电机铁芯和绕组的平均温升,计算结果比较粗糙。热网格问题的求解通常采用等效热路法,计算时以成熟的电路理论为基础,用少量的集中热源和等值热阻所代替真实热源和热阻,它们与热流的大小无关,计算中假设绕组和铁芯硅钢片的导热系数为无穷大,简化了热网格模型,比简化公式精度更高,但当节点和热阻的增
22、加,计算量增加,也不是一个很理想的算法。有限元分析法具有较高的计算精度,在电机温升的计算中得到越来越多的应用。在温度场的微分方程和边界条件的基础上,采用有限元等效热网络、边界元、有限差分等方法,该方法能准确地计算出电机温度分布,适用于电机设计,可以有效指导冷却系统的合理布置。本文采用的是基于Fluent的有限元分析方法。国内外学者对温度场求解做了大量研究。J. Xyptras等利用等效热网格法,用等效导热模型代替铜绕组与铁芯之间的绝缘,转子部分只有导条和气隙7。在我国,温度场的计算通常用有限元软件完成的,如张新波等使用有限差分法对温度场进行了分析,在电机温度场和机内空气温度场使用耦合边界条件,
23、实现了两者的同时迭代求解8。沈阳工业大学的孔晓光等利用流固耦合模拟了高速永磁电机的温升过程9。1.2.2流体场研究现状电机离不开散热,散热的研究对电机的设计也具有重要意义,流体场的研究与散热有很深的联系。近些年来学者们对流体场进行了大量的研究,可以解决许多问题,如表面散热系数、出口流速和压力的计算,流体流动路径、温度等。国内许多学者在流体领域的研究取得了很多成果。李伟力等通过风力发电机对流体场和温度场进行了分析,揭示大功率发电机内冷却介质流变特性的分布规律,并改善了通风10。靳慧勇等计算了汽轮发电机流体场及温度场,解决了气轮发电机温度升高过快的问题,降低了故障率11。国外一些学者也对电机内的流
24、体场进行了深入研究,K. Preis等对水轮发电机气隙内的流体进行实验和模拟仿真,得到相应的流体场和温度场结果12。R.E. Mayle对难以处理的狭窄气隙中流体流动进行了实验分析13。Staton D A介绍了不同条件下对流换热系数在的计算方法和计算流体场应注意的问题,对研究不同电机冷却系统内流速场和散热效果的计算起到了指导作用14。1.2.3电机冷却系统研究现状冷却系统的作用是通过冷却介质冷却电机的发热表面,保护电机不因发热而损坏,提高电机运行的可靠性。目前冷却方式主要有空冷、液冷、氢冷、蒸发冷却。日本的木岛欲之等设计的190kW电机的冷却系统分为两部分,一部分是由外风扇冷却电机定子,另一
25、部分由内风扇组成的内部循环路线,通过外部带有散热筋的空腔进行热交换,效率比传统的全封闭式电机更高,使得散热系统达到最优化15。H. Neudorfer利用了水冷系统对三相交流牵引电机进行冷却,并设计双臂结构的机座液冷介质以迂回或螺旋的形式流过机座,实验表明,电机温升满足要求16。万珍平等分析了螺旋流道结构参数对换热能力和压力损失的影响,结果表明,增加螺旋流道的圈数可以提高散热能力,但会导致压力损失显著增加,增加流道截面尺寸可以减小压力损失,但对散热能力的影响不大17。沈阳地铁二号线永磁同步牵引电机采用风冷冷却方式,利用同轴风扇对定子外壳进行冷却,定子采用无机壳的全叠片结构,具有质量轻、体积小、
26、散热好等优点。1.3研究内容和主要目标了解电机电磁场、温度场和流体仿真现状及发展方向,搭建永磁同步电机冷却水套系统数值仿真模型。了解电动汽车牵引传动系统的散热技术,掌握冷却水套的冷却设计原理,分析不同参数对冷却性能的影响并进行优化设计,获得最佳的冷却结构与参数。,完成冷却水流场仿真计算及水道结构优化设计(水道水压、流速、流量),提高永磁同步电机的散热性能。本文设计电动汽车用永磁同步电机水冷系统并分析电机温升的温度场,主要研究内容如下:1)设计一台35kW的永磁同步电机,分析其在不同工况下的损耗,选择一种极端情况下的工况损耗,计算电机产生损耗部位的热功率密度。2)对比分析不同类型的冷却水套优缺点
27、,选择一种水套作为研究对象,设计出在结构上不同的多种该类水套,分析水道类水的流速分布。3)运用Fluent等有限元分析软件,分析水套在不同流量下的温度分布以及水道内的压强分布。4)比较分析仿真结果,选择一种散热效率最优的水套,为后续研究实验做指导。研究目标:搭建永磁同步电机冷却水套系统数值仿真模型,掌握冷却水套的冷却设计原理,分析不同参数对冷却性能的影响并进行优化设计,获得最佳的冷却结构与参数。完成冷却水流场仿真计算及水道结构优化设计(水道水压、流速、流量),提高永磁同步电机的散热性能。1.4本章小结本章首先介绍电机冷却系统的优化设计对新能源汽车发展起的关键作用,然后分析了电机发热主要来源于电
28、机内部的损耗,分析了国内外对损耗的研究现状,接着介绍了温度场、流体场的分析对电机设计有极大帮助,同样的也介绍了国内外研究现状。最后,本文的研究重点是设计一台35kW的永磁同步电机并对其冷却系统进行优化设计,以达到比较好的散热效果。基于上一章中讨论永磁同步电机损耗的研究现状,对在本章的研究中设计一台35kW的永磁同步电机有很大帮助,电机设计包括定子、转子、绕组方式等,并通过Maxwell对电机做损耗分析。2.1永磁同步电机工作原理永磁同步电机的原理为在电动机的定子绕组中通入三相电流,在通入电流后,电机的定子绕组中会形成旋转磁场,转子上安装有永磁体,永磁体的磁极固定,根据磁极的同性相吸异性相斥原理
29、,定子中产生的旋转磁场会带动转子旋转,当转子的转速与定子中产生的旋转磁极的转速相等,转子绕组不再产生感应电流,只有转子上的永磁体产生磁场,同时电机产生驱动转矩。因此,永磁同步电机的起动过程可以认为是由异步启动阶段和牵入同步阶段组成的。在异步启动的阶段中,电机的转速是从零开始逐渐升高的,主要是由异步转矩、永磁发电制动转矩、由转子磁路不对称而引起的磁阻转矩和单轴转矩等一系列的因素共同作用下而引起的,在这个过程中转速是振荡着上升的。永磁同步电动机不能直接通入三相交流电的启动,由于转子的高惯性和磁场的快速旋转,静止转子不能随磁场起动和旋转。用变频调速器提供永磁同步电动机的电源,启动时,变频器输出频率从
30、0持续增加到工作频率,电机转速与变频器的输出频率同步增加,改变变频器输出频率即可改变电机转速,是一种很好的变频调速电机。在起动过程中,只有异步转矩是驱动转矩,电机通过这个转矩加速,其他的转矩大部分以制动性质为主。当电机的转速从零增加到接近定子磁场转速时,永磁同步电机在永磁体振荡转矩的影响下,转速可能会超过同步转速。但经过一段时间的转速振荡后,在同步转矩的作用下,最终进入同步。如果在定子侧产生旋转磁场的交流电流频率为f,电机的磁极极对数为p,则转子转速为:(2.1)可以看出,转子转速只与交流电流频率为f和磁极极对数p有关,这意味着在固定磁极极对数下,永磁同步电机的调速只需通过控制电源频率来实现。
31、2.2永磁同步电机结构特点永磁同步电机的结构与普通异步电机相似,也分为定子、转子、机壳等部件,但不同的是转子铁芯有固定磁极。2.2.1转子结构永磁同步电机根据电枢绕组位置可分为内转子结构和外转子结构。外转子永磁同步电动机的气隙直径比常规永磁发动机大,由于转矩与气隙直径的平方成正比,因此相同体积下,外转子输出转矩更高,转子外壳便于防护磁体离心力,同时高转动惯量也可有效减少转矩波动。内转子结构根据永磁磁极在转子上位置的不同,可分为表面式、内置式和混合式。表面式转子结构的永磁磁极是位于转子铁芯的外表面,永磁体设计一般为瓦片形,便于放置,通常会在永磁体外表面套上不导磁套筒,防止磁体因离心力过大而被甩出
32、。图2.1表面式转子结构示意图根据表面位置不同,表面式转子又可分为表贴式(图2.1.a)和埋入式(图2.1.b)由于永磁体材料磁导率与气隙磁导率接近,即相对磁导率接近1,有效气隙长度是气隙厚度和径向永磁体厚度总和,交直轴磁路基本对称,电机的凸极率约为1,因此表面式永磁同步电机是一种典型的隐极电动机,无明显凸极效应和磁阻转矩,但交、直轴磁路的等效气隙很大,因此电枢反应比较小,弱磁能力较差,恒功率弱磁运行范围较小。但制造工艺简单、成本低、应用广泛。内置式转子结构的永磁体位于转子铁芯内部。永磁磁极由极靴的保护,以增加其抗抗磁能力。转子磁路的不对称结构使得交直轴同步电感不同,有利于增大磁阻转矩,提高电
33、机功率密度,同时易于弱磁扩速,提高电机性能。根据永磁体磁化方向和转子旋转方向之间的关系,可将内置式转子结构分为径向式、切向式以及混合式。径向式转子结构永磁体磁化方向与转子旋转方向垂直,优点是磁路磁损小,转轴无需磁绝缘措施,同时转子强度高,永磁体易安装,转子结构稳定。图2.2径向式转子结构示意图切向式转子结构永磁体磁化方向与转子旋转方向基本相同,磁极距气隙较远,极间漏磁比径向式转子结构要大,需要采取隔磁措施降低漏磁。一个极距下的磁通由两个磁极并联提供,因此气隙磁密会更高,每极磁通量会更大。但永磁体与轴的隔磁,使得转子结构呈块状,最后拼结成为一个整体,增加了组装的难度。图2.3切向式转子结构示意图
34、混合式转子结构混合式转子结构是径向式与切向式两种转子结构的混合,综合两者的优点。但是,这种转子结构也比径向式与切向式转子结构更复杂,生产制造成本也会高得多。图2.4混合式转子结构示意图2.2.2定子绕组方式定子绕组按相数可分为单相、三相和多相绕组,按照每极槽数不同,又分为整数槽绕组与分数槽绕组,根据绕组层数不同,分为单层和双层绕组,不同定子绕组结构又有各自的特点和最佳应用场合,因此需要结合设计要求,合理设计绕组连接方式。令电机定子绕组相数表示为m,定子槽数表示为Z,永磁转子极对数表示为p时,则每极每相槽数q定义为:(2.2)整数槽绕组与分数槽绕组的定义是以电机每极每相槽数q是否为整数为基础判断
35、的。如果q为整数,则为整数槽绕组,为分数时则为分数槽绕组。分数槽绕组可以有效处理多极对数与有限槽数之间的矛盾,因此其在大中型多极水轮发电机中得到了广泛的应用。此外分数槽绕组具有整数槽绕组分布效应,有效削弱齿谐波对反电势的影响,提高电机性能。双层绕组的线圈数等于槽数。主要优点为:可以选择合适的短距绕组,并且可以采用分布绕组来改善电动势和磁动势波形,所有线圈尺寸相同,绕制方式相同。单层绕组每个槽中只有一层线圈,因此线圈数等于槽数一半。优点是槽内只有槽绝缘,无需相间绝缘,槽满率较高,下线方便。但单层绕组节距通常为整距,产生的电动势和磁动势波形比双层短距绕组稍差。2.3永磁同步电机设计永磁同步电机电磁
36、设计的主要任务是确定电机结构尺寸、选择绕组连接方式、确定电机的材料和材料性能、设计定转子磁路结构等。电机设计过程复杂,需要考虑的因素很多,难免会遇到矛盾,需要合理设计与权衡。由于应用场合的特殊性,电动汽车用永磁同步电机需要如低速高转矩,高效率、高过载能力、低损耗、安全可靠相关要求。但本文主要是研究电机的冷却系统,故对电机只是进行简单设计,满足基本要求即可。根据要求,永磁同步电机的设计目标如表2.1所示:表2.1永磁同步电机设计参数参数大小额定功率/kW 35额定转速/rpm 3000额定电压/V 112效率95%2.3.1转子结构设计由于设计要求中电机转速较高,考虑到表贴式转子结构弱磁扩速能力
37、低,在高速转动时需用套筒来固定,磁极安全系数不高。综合考虑,采用内置式转子磁路结构。另外,为了提高凸极比来增强弱磁扩速能力和高速转矩输出能力,采用V型内置式转子结构,同时固定永磁体,避免高转速时永磁体飞出。图2.5转子结构示意图2.3.2定子设计极对数的选取主要考虑电机的尺寸和损耗要求。极对数多有利于减小电机尺寸,但同时会增加电机工作的电频率,增大铁损和变频器开关损耗,增加成本。如果电机外径受到限制,极数过多会增加槽数和空间,使极对数不能过大。整数槽分布式绕组结构通过选择合适的分布和短距系数,可以有效抑制谐波电动势。q越大,效果也越突出,但是当q太大时,电机成本变高,而且由于电机尺寸及加工工艺
38、的限制,槽数不能过多。综合考虑后,永磁同步电机的极槽组合为8极48槽。经过对比,分数槽集中式绕组更加适合驱动电机要求,但是由于分数槽集中式在极对数较小的情况下无很好的组合方案,虽然在极对数较大的情况下有很多极槽配合方案,但电频率会随着极对数增加而增加。综合考虑,选用整数槽分布式绕组。表2.2定子绕组选型对比分数槽集中式整数槽分布式磁阻转矩较低较高铜损较低较高铁损较高较低转矩波动较高较低图2.6定子槽数及绕组方式定子槽形及尺寸:表2.3定子槽形尺寸表参数大小Bs02Bs13.2Bs25.8Hs00.6Hs10.6Hs220图2.7定子槽形图2.3.3电机参数通过Maxwell设计永磁同步电机的定
39、子、转子,得到了电机的各项参数如下:图2.8 Maxwell永磁同步电机设计图表2.4永磁同步电机主要机械尺寸定子外径(mm)220槽深(mm)24定子内径(mm)141.6齿宽(mm)7.2转子外径(mm)140槽开口(mm)2转子内径(mm)60永磁体厚度(mm)5定转子长度(mm)132永磁体长度(mm)19表2.5永磁同步电机一些电磁参数反电动势(V)150.7额定工况下铁损(W)174.0额定工况下铜损(W)615.95额定工况下负载(N m)111.4最大功率(kW)892.4损耗分析2.4.1电机常见损耗永磁同步电机的损耗与其他电机损耗类似。主要有三种损耗在电机内部转化为热能:电
40、机绕组和导线内产生的电阻损耗,即为铜损;永磁体产生的涡流损耗;涡流损耗和由耦合磁场在铁心中引起的磁滞损耗,即铁损。铜损指的是由于绕组电阻而将电能转化为热能的损耗,该损耗与电流密度和特定绕组电阻的平方成正比:(2.3)式中: Pcopper铜损耗;J电流密度;cu线圈的电阻。同时,铁损是由磁体磁通量的变化引起的,通常分为磁滞损耗和涡流损耗。当连接到铁芯上的磁通量交替地转变为N极和S极时,就会产生磁滞损耗:(2.4)式中: Ph磁滞损耗;Kh磁滞常数;f电流频率;Bmax最大磁通密度;n实验常数,一般为1.5-2.5。涡流损耗是指当变化的磁通穿过铁芯时,由电磁感应产生的涡流中的电流引起的损耗:(2
41、.5)式中: Pe为涡流损耗;k为导电率;t为通过的导体厚度。铁损表示为两者损耗之和:(2.6)2.4.2Maxwell电机损耗分析通过Maxwell分析了电机在四种工况下的损耗,并乘了相关的系数表示其在实际情况下的损耗,结果如下表2.5所示,可以看出电机的铁损随着转速的提高而不断加大,这是因为必须改变电压频率才能升高电机转速,运行频率增加会导致铁损增加,发热量加大。铜损在电机低转速时最低,低转速时为了保持功率温稳定,电流会很大,因此铜损很大,但电枢电流比较低,所以其对应的涡流损耗很低。同时可以发现,铜损随着电流的加大而减小,其大小与绕组上的电流平方成正比,转速增加,绕组电流减小,损耗也减小。
42、表2.6四种工况下电机的损耗电机工况铁损*1.6(W)绕组铜损*1.2(W)涡流损耗(W)1000转168.5442956.5410.4124500转830.416739.1350.86659000转1284.64416.5213.212000转1891.04756.8423.2表2.7四种工况下电机各个部件的功率密度功率密度(W/m3)定子单个磁钢单匝绕组1000转74389.42053.49623405.04500转366516.34318.72405850.59000转566994.865789.51355753.512000转834638.3115627.02463479.4对比电机在
43、四种工况下的损耗,1000转下电机损耗最大,实际当中对电机的损害最大,但在实际情况中,其运行时间短,主要发生在车辆爬坡时,4500转和9000转下电机的损耗并不是很打,因此最终选择12000转下电机的损耗作为后续水套分析的热源。2.5本章小结本章中介绍了永磁同步电机设计的原理,包括定子、转子的设计,通过Maxwell简单的设计了一台35kW的永磁同步电机,确定了各部分的结构尺寸,同时也介绍了电机内部损耗的计算公式,并通过Maxwell分析了电机的铁损、铜损、涡流损耗,对比四种工况下电机损耗,最后选择12000转下电机的损耗作为后续水冷系统设计的热源。在上一章中主要介绍了永磁同步电机的结构设计,
44、并分析了该电机在四种工况下的损耗,最后选择12000转下电机损耗作为后续温度分析的基础。在本章中介绍的是流体力学的一些基本理论,并在对比不同水套模型的基础上,针对一种水套,设计不同结构的水套模型,并在流量一定的情况下,观察水道内部的流速分布。3.1流体力学基本理论流体是与固体相对应的一种物体形态,是液体和气体的一般概念。它由大量不断热运动而且无固定平衡位置的分子构成的,它的基本特征是没有特定形状,具有流动性。3.1.1流体的基本物理性质流体具有多种物理性质,这里主要介绍它的粘度以及压缩性。粘度:在两个相邻液体层之间的相对运动中,两个液体层的接触面产生一个变形阻力。与固体不同,这个阻力与液体的变
45、形尺寸无关,而是与流体的变形速度成比例,这种抵抗变形的特性就称粘性。液体的粘度主要取决于分子之间的引力,而气体粘度主要取决于分子的热运动。牛顿内摩擦定律流体粘性剪切应力与速度梯度成正比的关系称为牛顿内摩擦定律,可表示为:(3.1)式中:单位面积上的摩擦力;速度梯度,即垂直流动方向上单位长度流体流速变化量;动力粘度或粘滞系数。压缩性:流体因为压力而体积缩小的特性。各种液体的压缩性都不一样,液体的可压缩性比气体小得多,本文中使用的冷却液水压缩所产生的体积变化有限,所以研究中忽略这种影响。3.1.2流体流动的数学模型由于流体是连续性介质,因此在其运动过程中应满足连续的充满整个运动空间,流体的这种连续
46、特性可通过连续性微分方程加以描述:(3.2)式中:密度;t时间;ux 、uy 、uz流体沿x,y,z方向的流速。等号左端第一项单位时间密度的变化表征流体的压缩性质,在不可压缩流体情况下此项为0,左端第二项表示流入某微元的质量代数和,两项之和为0即表示流体的连续特性。流体也具有动量守恒也即流体的运动微分方程:(3.3)式中:运动粘度;p压力。上式可简化为:(3.4)上式左端项表示微元的惯性力,右端第一项表示粘性力、第二项表示压力、第三项表示体积力(如重力),即式(3.4)可以看做流体中的F=ma。流体能量守恒微分方程:(3.5)流体温度与空间位置及流体速度分布有关。以上方程组成非线性偏微分方程组
47、,计算流体力学应用有限差分或有限元法将连续问题离散化,在应用迭代解得,从而得到流体的流动状态。在永磁同步电机冷却系统模型中,水泵向水道送水,属于一种强迫冷却方式,流体在水道中流动时,雷诺数大于临界雷诺数,属于湍流流动,对于湍流流动,流体的流动还应该满足附加的湍流运输方程。本文中Fluent仿真采用的湍流模型为标准模型。(3.6)式中: Gk为平均速度梯度而产生的湍动能k项;Gb为浮力而产生的湍动能b项;YM为由于可压缩流体湍流中由脉动扩张所引起;Sk、S用户自己定义的源项;G1、G2、G3经验系数。对于不可压缩流动,上式中,Gb=0,YM =0。3.1.3管内流体流动的损耗在流体流动过程中,损失是不可避免的,分析损耗产生的原因,可将损耗分为两类:第一类是沿等截面管流动时管壁粘性切应力引起的摩擦损失,称为沿程损耗;第二类则为局部损耗,主要是由于管道形状的突然变化,导致流动状态发生改变而引起的损耗。沿程损耗:流体在管道内流动,必然和管道产生摩擦,因摩擦而引起的压力下降可用下面公式表示:(3.7)式中:摩擦系数;l冷却管道长度;d等效水力直径;流体密度;v流速。流体的摩擦系数是关于雷诺数Re的函数,与流体的流动类型以及流体流经的壁面粗糙度等都有关联。局部损耗:如果管道的横截面突然增大,就会引起涡流,对应的局部