沈阳工大学者提出一种高速永磁屏蔽电机的摩擦损耗分析与计算方法

时间:2024-03-27来源:佚名

基于3D流体场模型和有限元体积法,沈阳工业大学电气工程学院、贵州航天林泉电机有限公司的张文校、胡岩、曹力、卓亮、刘爱民,在《电工技术学报》上撰文,针对高速永磁屏蔽电机进行转子表面介质摩擦损耗计算和敏感性因素分析,研究转子转速、介质轴向流速、屏蔽套表面粗糙度对气隙内介质摩擦损耗的影响规律。他们的分析成果对计算高速永磁屏蔽电机相同工况下的水摩擦损耗具有参考意义。

高速永磁屏蔽电机(HSPMSM)作为屏蔽泵的驱动电机,适用于各种特殊液体介质的输送,液体介质可作为冷却剂进行冷却;定转子表面分别装有圆筒状的屏蔽套,使定子绕组、永磁体免受输送介质的腐蚀,因此其具有体积小、噪声低、耐腐蚀、转速高、功率密度大、安全可靠等优点。电机采用气隙介质循环的冷却方式,广泛应用于航空航天、水下、石油化工、小型核动力反应堆等领域。

图1 电机结构

气隙内介质随转子转动产生摩擦损耗,而对于高速永磁屏蔽电机来说,转子表面转速高达几万转甚至几十万转,由此产生的摩擦损耗比普通电机大得多,占总损耗比例很大,且与转子散热条件密切相关,按照经验值选取已不再适用。同时,高速永磁屏蔽电机体积小,散热困难,过高的温升容易引成永磁体不可逆退磁和零部件老化等问题,因此,准确计算气隙介质摩擦损耗可以为合理设计电机的转子结构和冷却方式提供依据,对电机的长期安全可靠运行具有重要意义。

目前,国内外学者对气隙流体产生的摩擦损耗研究通常是从流动本身出发,探究流体流速与阻力特性的关系,使用数值模拟计算流体摩擦损耗大小。目前,用流体场理论对摩擦损耗系数的研究尚处于起步阶段,现今对高转速电机气隙冷却系统的介质摩擦损耗问题进行研究的文献资料还比较少。

沈阳工业大学电气工程学院、贵州航天林泉电机有限公司的研究者,基于三维流体场物理模型,以一台额定转速36000 r/min的高速永磁屏蔽电机为例,分析屏蔽套表面粗糙度、转子转速、气隙入口介质流速对电机摩擦损耗的影响。由于水的导热系数和比热容较大、散热能力较好、化学性能稳定、价格低廉、易获得,故以水作为冷却介质进行研究。

研究者对不同入口水流流速和转子转速的摩擦损耗系数进行分析,得出了不同半径比、水流流速和转子转速的摩擦损耗系数经验公式。搭建试验平台,将仿真结果与试验结果进行对比分析,验证仿真方法和摩擦损耗系数公式的准确性。

沈阳工大学者提出一种高速永磁屏蔽电机的摩擦损耗分析与计算方法

图2 对拖试验平台

沈阳工大学者提出一种高速永磁屏蔽电机的摩擦损耗分析与计算方法

表 仿真结果与试验结果对比

他们确定电机额定转速工况下的流速分布,分析了电机转子转速、屏蔽套表面粗糙度和气隙入口水流流速对水摩擦损耗的影响,其中水摩擦损耗与转子转速的2.88次方成正比;增大转子屏蔽套表面粗糙度造成的摩擦损耗增长值近似为同等情况下定子屏蔽套的两倍。

此外,通过改变气隙宽度和定转子半径,得到四种半径比的TCP参数模型,通过改变转子转速、水轴向流速,分析了定转子半径比、轴向雷诺数和旋转雷诺数对摩擦系数的影响。结果表明,摩擦损耗系数随轴向雷诺数的增加而增大,随旋转雷诺数的增加而减小。

研究者分析摩擦损耗系数与上述变量的关系,采用非线性拟合方法,得到了半径比为0.896~0.930的摩擦系数经验公式,在此半径比内建立模型,将仿真结果与经验预测公式计算结果进行对比,误差小于5 %,验证了经验公式的准确性。

本工作成果发表在《电工技术学报》,论文标题为“高速永磁屏蔽电机摩擦损耗分析与计算”。本课题得到国家自然科学基金资助项目的支持。

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