【摘 要】
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大功率密度永磁电机在未来高铁、城铁、电动汽车、多电飞机牵引或推进领域应用潜力巨大,永磁电机结构紧凑、热载荷密度大,高效冷却散热是其发展瓶颈问题。论文为解决大功率密度永磁同步电机冷却及散热关键理论和新技术,开展了永磁电机气-液射流冲击旋转液膜冷却换热特性研究。论文建立了大功率永磁同步电机热损耗模型,多角度研究了600 k W永磁同步电机热损耗特性;提出了一种新型永磁同步电机气液两相射流冷却方法及系统
【基金项目】
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国家“863 计划”共性基础研究课题***项目；
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大功率密度永磁电机在未来高铁、城铁、电动汽车、多电飞机牵引或推进领域应用潜力巨大,永磁电机结构紧凑、热载荷密度大,高效冷却散热是其发展瓶颈问题。论文为解决大功率密度永磁同步电机冷却及散热关键理论和新技术,开展了永磁电机气-液射流冲击旋转液膜冷却换热特性研究。论文建立了大功率永磁同步电机热损耗模型,多角度研究了600 k W永磁同步电机热损耗特性;提出了一种新型永磁同步电机气液两相射流冷却方法及系统;研究了永磁同步电机气液两相射流冷却系统的电机温度分布特性;数值试验研究了热流密度、转速、射流参数和喷嘴数量对永磁电机气液射流冲击旋转液膜气隙中气液两相流动特性和换热规律的影响;研究实现了对大功率密度永磁同步电机高效换热优化。永磁同步电机热损耗特性研究。建立了大功率永磁同步电机热损耗模型,数值研究了600 k W永磁同步电机负荷和频率对热损耗特性的影响规律。研究发现:永磁同步电机热损耗主要分布在定子和绕组上,约占88%;永磁体分布热损耗极小,仅占1.86%;各项热损耗均随着时间的变化逐渐呈现周期性变化;电机负荷对热损耗影响较大,负荷增加,热损耗越大,绕组铜耗和永磁体涡流损耗占比越大,定子铁心损耗和转子铁心损耗占比越小;电机频率对定子铁心损耗和转子铁心损耗影响较大,对永磁体涡流损耗影响较小,不影响绕组铜耗;频率增加,定子铁心损耗、转子铁心损耗和永磁体涡流损耗占比越大,绕组铜耗占比越小。永磁同步电机气液两相射流冷却方法及系统研究。提出了一种新型永磁同步电机气液两相射流冷却方法及系统;构建了垂直圆周射流和平行圆周射流两种不同射流方式的冷却系统。建立了以液相体积分数表示液膜分布趋势的气液两相流动传热数学模型,研究了永磁同步电机气液两相射流冷却系统的电机核心部件温度分布特性。研究发现:垂直圆周射流冷却系统定子和转子内表面温度沿轴向呈射流处低,中间及端部高的W形分布;平行圆周射流冷却系统定子和转子内表面温度沿轴向呈现中间高,端部低的Λ形分布;永磁体下表面温度高于上表面;转子温度由内向外温度逐渐升高;电机核心部件靠近气隙处,冷却效果较好;永磁同步电机气液两相射流冷却系统的电机绕组温升最小,转子温升最大;垂直圆周射流冷却系统性能略优于平行圆周射流冷却系统,但均可实现对600 k W永磁同步电机高效冷却换热。永磁电机气-液射流冲击旋转液膜气隙中气液两相流动换热规律研究。系统开展了垂直及平行圆周射流冷却系统气隙中气液两相流动传热特性数值模拟,研究了热流密度、转速、射流参数和喷嘴数量下气隙中气液两相流动换热规律。研究发现:液相分布是决定转子和定子内表面温度分布的关键因素;转子内表面液相体积分数大,温度低;定子内表面液相体积分数大,温度高;气隙中液相滞留体积对气液两相射流冷却系统的换热能力起决定性作用。对于垂直圆周射流冷却系统,射流区越靠近转子内表面,速度越小;射流处右侧形成涡流,左侧速度与转速方向一致;射流区相比非射流区域流速快,非射流区速度方向均沿旋转方向;转子和定子内表面温度及液相周向分布呈现周期性变化;转速增加,定子内表面温度先降低后稳定;转速对转子内表面温度影响较小;转速增加,液相将在定子内表面堆积;转速为4200 r/min时,射流锥角小于60°可保证冷却系统的散热能力;射流速度对转子内表面温度的轴向影响距离是40 mm;射流入口液相质量流量对定子和转子内表面温度影响巨大;周向喷嘴数量为3个,轴向喷嘴数量为6个可保证冷却系统最佳散热能力。对于平行圆周射流冷却系统,气隙中周向速度方向为旋转方向,轴向速度方向垂直气隙;射流区两侧和气隙中定子内表面端部形成涡流,气隙中流体旋转对射流流体产生极大阻力;转子和定子内表面温度及液相周向分布均匀;转速增加,定子内表面温度先降低再升高,转子内表面温度先升高后稳定;转速为4200 r/min时,射流锥角为0°可保证冷却系统散热能力;射流速度及入口液相质量流量增加,定子和转子内表面温度先升高后稳定;周向喷嘴为3个可保证冷却系统最佳散热能力。
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