开关磁阻电机温度场建模与分析方法研究

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开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)因具有结构简单、效率高、容错能力强、调速范围宽且能适应恶劣工作环境等系列优点,因而在众多领域得到了日益广泛的应用。然而在进行开关磁阻电机结构设计时,不仅需要考虑电机的电磁性能,而且还需考虑其运行时因损耗而产生的温升以及相应的温度分布情况,从而为设计出合理的电机结构奠定基础。因此,针对开关磁阻电机开展温度场分析,对于指导电机结构的优化设计、降低电机温升具有重要意义。论文针对目前开关磁阻电机温度场分析中绕组气隙建模与模型网格划分等关键问题展开研究,分别提出了相应有效的绕组气隙建模方法与模型网格划分方法,并对其效果进行了仿真与实验验证。论文主要内容包括:1、简要介绍了开关磁阻电机的发展概况,阐述了目前国内外在开关磁阻电机温度场分析方面所开展的研究,介绍了电机建模方法与模型网格划分方法的基本情况,并对论文总体框架和内容进行了介绍。2、简要介绍了开关磁阻电机温度场分析的基本原理,阐述了开关磁阻电机的损耗计算方法与电机热传导方式,分别介绍了开关磁阻电机温度场分析的数学模型、有限元建模及温度场分析方法。3、以TMS320F28335 DSP为控制核心,以IHW30N120R2 IGBT作为主电路功率开关,研制了开关磁阻电机实验装置,并针对该实验装置在额定工况下的稳态温度进行了测试,为后续理论研究提供相应的实验数据。4、针对开关磁阻电机定子槽内双绕组间因存在不规则气隙而导致其温度场分析建模困难的问题,提出一种绕组气隙等宽度建模法。分析了绕组气隙等效截面的计算方法,研究了绕组气隙的模型结构与气隙确定方法,在此基础上完成了整个开关磁阻电机有限元模型的建立,采用有限元法对其进行了温度场分析得到开关磁阻电机的温度场分布,同时与传统未考虑绕组气隙建模作了对比分析,最后与实验数据进行对比分析验证其有效性。为了进一步优化绕组气隙模型结构提高建模精度,提出一种绕组气隙优化建模法。研究了绕组气隙最佳气隙宽度的确定方法,即通过改变绕组气隙的宽度,采用有限元法对其进行相应的温度场分析,得到对应的电机温度场分布,选取绕组模型表面某处的温度作为待测温度值,并通过对不同气隙宽度下的温度场分析并采用数值拟合方法得到其气隙宽度与相应温度间的函数关系,利用该函数关系及相应的实测温度值,即可得到绕组气隙模型的最佳气隙宽度,同时与绕组气隙等宽度建模法作了对比分析,最后与实验数据进行对比分析验证其有效性。5、针对开关磁阻电机温度场分析中模型网格划分方法对分析结果准确性造成的影响,提出一种变密度六面体对称网格划分法。首先阐述了变密度六面体对称网格划分法的基本原理,在此基础上建立开关磁阻电机的有限元模型,然后针对其主要发热部件电机绕组采用六面体变密度对称网格划分,其余部件采用四面体自动网格划分,并在此基础上进行了相应的有限元温度场分析,同时与传统网格划分法作了对比分析,最后与实验数据进行对比分析验证其有效性。
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