近年来,随着电力电子技术和稀土永磁材料的快速发展,无刷直流推进电机得到了广泛的应用和科学研究。无刷电机由原来的有刷电机机械换向转变为利用功率晶体管开关进行电子换向,它具有结构简单,可靠性高等特点。此外无刷直流电机还有控制简便,制造成本低廉、功率密度大等优势,遍及水下无人装备、海洋资源勘探等各个领域。电机是电场、磁场、温度场等多物理场耦合、交叉的非线性多变量复杂系统。与电机的电磁场研究相比,温度场的分析起步比较晚,且电机工作过程中热源产生的原因比较复杂,不单单是一维的热量传递过程,涉及电机学、传热学、流体力学等多方面的跨学科知识。电机热设计是电机设计环节中的重要组成部分。作为浸水无刷推进电机,因其特殊的工作环境对重量和体积有着严格的要求。一方面,电机功率密度大,连续长时工作发热严重,过高温度会引起电枢绕组绝缘能力下降,电阻增大,在大电流工作时,集肤效应明显,导致绕组铜损增大,效率下降,从而影响电机额定功率的输出;另一方面,高温导致转子永磁材料性能下降,严重时甚至会发生不可逆退磁现象,严重影响电机转矩平稳输出和电机工作可靠性。局部温度的不均匀还会使得电机某一部位发生热应力集中现象,影响其安全性能。因此准确定量地对浸水无刷直流电机的温度场分析研究很有必要,对电机的优化设计和效率提升等有着重要的意义。本文利用集总热网络法,结合Motor-CAD软件,对浸水无刷直流电机进行了损耗计算和温度场仿真优化分析,并计算分析了自然对流情况下有无壳体散热肋片以及强制对流下针对不同壳体冷却方式,电机温度场的影响及对温升的抑制作用。本文的主要内容如下:(1)介绍了无刷直流电机的工作原理,阐述了无刷直流电机主要热损耗(铜损,铁损、永磁体涡流损耗)的发热机理并加以分析计算;(2)论述了集总热网络法的基本原理,对仿真软件Motor-CAD加以介绍。根据传热学基本理论知识,建立了包含78个温度节点的浸水无刷直流电机的温度场分析模型,并对模型中的主要热阻(导热热阻,对流热阻、接触热阻)结合不同冷却条件进行了计算;(3)利用Motor-CAD软件,采用集总热网络法对浸水无刷直流电机额定工况运行时的稳态温度场和瞬态温升进行了数值仿真并得到以下结果:(1)电机机壳强制浸水冷却时,机壳表面流速对稳态温度场有很大影响。分别研究了轴向来流速度为2kn和3kn时稳态温度场;(2)通过改变线规的方式改变电机电流密度,电机铜耗变化明显,对绕组温升有很大影响;(3)机壳冷却条件由浸水强制冷却转变为机壳自然对流空气冷却时,对流换热热阻明显增大,辐射换热效果增强。在此基础上,机壳表面增加散热肋片,有助于壳体与外界的热量交换;(4)壳体对流换热冷却改为螺旋水道方式时,进口流量对绕组稳态最高温度的影响较大,流道自身尺寸对电机温升的影响较小;(5)电机额定工况稳态温度场分析,温度场基本沿径向梯度分布,电机各部件在同一半径轴线上,温度差异很小,基本为均匀分布;(6)针对电机不同工况需求,对电机瞬态温升计算分析,浸水工况时,历经50min电机内外热交换达到平衡,电机绕组温升到达稳态。(4)经过Motor-CAD前期仿真计算,利用PROVA测温仪和FLIR红外热成像仪完成了浸水电机温度场实验研究。测定了电机绕组端部的温升变化曲线和温度场成像云图。实验测量所得绕组端部温升曲线及电机的温度场分布与仿真结果一致,误差合理,验证了利用热网络法分析该模型的有效性;本文以某型水下运载器用浸水无刷直流电机为例,计算了电机的主要热损耗,建立了温度场仿真模型,利用Motor-CAD软件采用热网络法对壳体不同冷却条件下温度场进行了数值仿真模拟。并对该浸水电机进行了绕组瞬态温升实验和温度场测试,根据实验结果,与前期仿真结果对比分析,两者数据结果吻合。验证了该方法计算结果的准确性。对无刷直流电机的热分析,热优化方面做了一定的探索。