非晶合金高速永磁电机热管理与转子动力学研究

高速永磁电机已经广泛应用于工业自动化、军事武器装备、航空航天等相关领域,特别是近年来电动车辆的快速崛起,高速永磁电机作为车辆动力系统中的关键部件引起了大量的关注。高速永磁电机拥有诸多优点,如功率密度高、体积小、效率高等,但其损耗密度大,动力学要求高等缺点制约着高速永磁电机的发展。新材料的不断出现让电机性能大幅度提高成为可能,非晶合金材料作为新出现的定子材料在电机损耗上具有巨大的优势,但对其具体的研究还相对较少。本文对非晶合金高速永磁电机的热管理和转子动力学展开了探讨:首先,本文基于一台40 kW非晶合金高速永磁电机,对永磁电机的损耗进行了系统的研究,包括电机的铁耗、铜耗、涡流损耗的理论分析和仿真研究。同时非晶合金高速永磁电机的空气摩擦损耗不可被忽略,对其进行内通风系统的流体场仿真,分析内风道流体场分布的原因,根据经验公式计算出的空气摩擦损耗和仿真结果进行对比,并仿真和分析了不同影响因素下的空气摩擦损耗。其次,非晶合金高速永磁电机损耗密度大、散热困难,本文在传统直槽水道的内外表面分别添加丁胞结构以增强壁面换热。基于流体力学理论和仿真分析方法,研究丁胞水冷系统的温度场分布,并对丁胞结构进行优化分析。基于树状网络理论,提出树状水冷结构系统,并在同一散热面积的条件下与直槽水冷系统和螺旋水冷系统进行冷却效果对比,并分析其冷却效果的变化规律。然后,非晶合金高速永磁电机转子磁钢在高速运行下容易发生损坏,本文提出考虑轴间填充物的转子强度分析模型,对碳纤维护套转子强度进行解析推导。同时通过有限元软件法和解析分析法对非晶合金高速永磁电机的转子强度进行分析,并和传统未考虑填充物的模型进行应力对比研究。最后,针对非晶合金高速永磁电机转子在高速旋转下的动力学问题,本文对电机转子在自由状态下、负载状态下和考虑陀螺效应的状态下进行模态分析和临界转速分析;对不同轴承刚度下的电机转子进行临界转速分析;对高速电机转子进行启动瞬态研究。