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定子外水冷却高功率密度电机设计技术研究

作　者: 王北社
导　师: 窦满峰
学　校: 西北工业大学
专　业: 电机与电器
关键词: 高功率密度电磁发热与冷却机械
分类号: TM359.9
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 439次
引　用: 10次
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内容摘要

论文来源于[国防基础预研军民两用项目——超高功率密度电驱动系统中的螺旋桨飞机模型风洞试验驱动电机研制]。该电机不但功率大、体积小、转速高、发热严重，而且受飞机模型约束，长径比大、散热环境恶劣。针对这些特点，论文以电磁分析为主线，同时对发热与冷却、机械强度与钢度展开全面研究。论文通过研究电磁负荷对电机性能影响，进行了合理的电磁负荷设计，满足了电机的功率密度要求，达到了电机的性能指标要求；通过对高功率密度电机效率要求特点的研究，对比分析各种电机绕组形式特点，确定了电机的绕组型式；分析变频电机极对数可以选择的特点，以及不同极对数对电机性能的影响，确定了电机的最佳极对数；分析各转子槽形特点，确定了电机的转子槽形；确定了电机的电磁材料等。电磁研究给出了设计结果；通过磁场仿真对结果进行了校核分析。论文通过研究电机的发热结构、分析各种型式的电机冷却结构及冷却介质性能，研制出定子外双螺纹循环水介质高效冷却系统，使其既满足电机的体积要求，又满足电机的散热需求。研究电机的温升校验方法，对电机温升进行校核设计。针对电机长径比大、转速高、磁负荷设计值高、设计空间狭小等问题，对电机的转轴、转子冲片进行强度及钢度分析，对水路的密封、高速轴承的选用了进行研究。论文对每个主要目标的研究都兼顾其它方面。在电磁设计技术研究阶段，为减轻电机散热的负担、达到一定的散热效果，对电机的高效率进行了重点分析，对电机的热源进行了合理分布；采用了有利于提高转子运行可靠性的槽形结构。在冷却系统研究时，兼顾了电机的机械强度及钢度要求，在保证电机散热要求的前提下，尽量满足电机的机械要求。性能测试表明，电机各项设计性能指标达到研制要求。农五飞机风洞模型500余次试验考核表明，电机满足使用要求。发表论文3篇。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-6
目录  6-10
第一章绪论  10-14
  1.1 高功率密度电机的研究背景和研究意义  10-11
    1.1.1 课题研究背景  10
    1.1.2 项目研究意义  10-11
  1.2 课题研制电机的技术指标及技术难点  11-12
    1.2.1 技术指标  11
    1.2.2 技术难点  11-12
  1.3 论文主要研究内容及论文结构  12-13
    1.3.1 论文主要研究内容  12
    1.3.2 论文结构  12-13
  1.4 预期研究成果  13-14
第二章高功率密度电机电磁设计技术研究  14-32
  2.1 电磁负荷的设计  14-17
    2.1.1 电磁负荷与电机体积的关系  14-15
    2.1.2 电磁负荷对性能指标的影响  15-17
      2.1.2.1 气隙磁密B_δ不变，线负荷A选取较高时  15-16
      2.1.2.2 线负荷A不变，气隙磁密B_δ选取较高时  16-17
    2.1.3 电磁负荷的选取  17
  2.2 绕组型式的选择  17-19
    2.2.1 三相异步电机常用绕组型式分析  17-18
    2.2.2 单层链式绕组与双层叠绕组的对比分析  18-19
      2.2.2.1 两种绕组的定子铜耗比较  18
      2.2.2.2 两种绕组的谐波损耗比较  18-19
    2.2.3 绕组型式的选取  19
  2.3 极对数的分析与设计  19-21
    2.3.1 极对数对电机电磁性能的影响分析  19-21
      2.3.1.1 极对数对电磁负荷的影响  20
      2.3.1.2 极对数对电机功率因数的影响  20
      2.3.1.3 极对数对电机效率的影响  20
      2.3.1.4 极对数对电机其它性能指标的影响  20-21
    2.3.2 极对数对电机机械性能的影响  21
    2.3.3 电机极对数的选择  21
  2.4 转子槽形的研究  21-24
    2.4.1 异步电机的转子槽形分析  22-23
      2.4.1.1 转子槽形对电机漏抗的影响  22-23
      2.4.1.2 转子槽形对电机性能的影响  23
    2.4.2 转子槽形的选取  23-24
  2.5 电磁材料的选取  24
    2.5.1 冲片材料的选取  24
    2.5.2 电磁线的选取  24
    2.5.3 转子导条材料的选取  24
  2.6 电磁设计方案  24-26
  2.7 基本Flux的磁场仿真  26-31
    2.7.1 电磁场基本理论  26-28
      2.7.1.1 麦克斯韦方程组  26-27
      2.7.1.2 本构关系  27
      2.7.1.3 二阶电磁场微分方程  27-28
    2.7.2 高功率密度电机稳态性能仿真与分析  28-31
      2.7.2.1 电机稳态额定负荷时磁势降点图  28
      2.7.2.2 电机稳态额定负荷时的磁通密度云图  28-29
      2.7.2.3 电机稳态额定负荷的磁力线图  29
      2.7.2.4 稳态额定负荷时的气隙磁密  29
      2.7.2.5 稳态额定负荷时的气隙磁通  29-30
      2.7.2.6 机械特性  30
      2.7.2.7 电机额定负荷时的铁损耗  30-31
  小结  31-32
第三章高效冷却技术研究  32-45
  3.1 冷却结构的设计  32-36
    3.1.1 传统冷却结构分析  32
    3.1.2 电机内的冷却介质  32-33
      3.1.2.1 气体冷却介质  33
      3.1.2.2 液体冷却介质  33
    3.1.3 高功率密度电机冷却结构设计  33-35
    3.1.4 冷却回路尺寸设计  35-36
  3.2 电机的温升校核  36-44
    3.2.1 电机热结构分析  36-38
      3.2.1.1 电机的热结构分析  36-37
      3.2.2.2 通过合理假设，以集中参数代替分散参数绘出热结构图  37-38
    3.2.2 采用热网络法计算电机的定子平均温升  38-43
      3.2.2.1 网格的剖分  38-39
      3.2.2.2 单元热阻计算  39-40
      3.2.2.3 单元热流的计算  40-41
      3.2.2.4 边界条件的确定  41
      3.2.2.5 节点方程组的建立  41-42
      3.2.2.6 定子温升计算  42-43
    3.2.3 利用热传导方程计算绕组端部温升  43-44
      3.2.3.1 热传导方程  43
      3.2.3.2 利用热传导方程计算电机绕组端部温升  43-44
  小结  44-45
第四章高功率密度电机机械设计技术研究  45-55
  4.1 转轴的强度与钢度设计  45-50
    4.1.1 转轴最小直径的计算  45-46
    4.1.2 转轴的钢度分析  46-48
      4.1.2.1 转子重力在轴中部引起的挠度分析  46-47
      4.1.2.2 轴伸端集中力作用在轴中部引起的挠度计算  47
      4.1.2.3 单边磁拉力在轴中部产生的挠度分析  47-48
      4.1.2.4 轴中部的总挠度计算  48
      4.1.2.5 轴临界转速的计算  48
    4.1.3 转轴的疲劳强度计算  48
    4.1.4 转轴的屈服强度计算  48-49
    4.1.5 转轴机械设计  49-50
  4.2 转子冲片的强度设计  50-51
  4.3 水套与壳体的密封设计  51-52
  4.4 轴承的选取  52-54
    4.4.1 滚动轴承的特性与寿命  52-53
    4.4.2 轴承的选取  53-54
      4.4.2.1 轴承的轴向力计算  53-54
      4.4.2.2 轴承的当量动载荷及动载荷计算  54
  小结  54-55
第五章电机性能测试与分析  55-67
  5.1 静态试验  55
  5.2 空载试验  55-59
  5.3 负载试验  59-62
  5.4 性能分析  62-64
  5.5 试验结果与结论  64
  5.6 试验仪器  64-66
  小结  66-67
第六章总结  67-69
参考文献  69-73
致谢  73-74

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