【摘 要】
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空压机是现代工业制造主要的动力源,传统异步电机连接齿轮箱的组合结构往往效率较低,造成大量的能源浪费。用高速永磁同步电机直驱带动空压机既可以充分发挥永磁电机高效的优势,又可以根除由变速装置带来的能量损失和大量可闻噪声等固有缺陷,是提高空压机系统整体效率的有效方案。但是在空压机中使用高速永磁电机直驱往往也存在许多困难需要克服,不仅要使得设计出的高效率永磁电机在有限的安装空间内性能达到要求,还要考虑电机
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空压机是现代工业制造主要的动力源,传统异步电机连接齿轮箱的组合结构往往效率较低,造成大量的能源浪费。用高速永磁同步电机直驱带动空压机既可以充分发挥永磁电机高效的优势,又可以根除由变速装置带来的能量损失和大量可闻噪声等固有缺陷,是提高空压机系统整体效率的有效方案。但是在空压机中使用高速永磁电机直驱往往也存在许多困难需要克服,不仅要使得设计出的高效率永磁电机在有限的安装空间内性能达到要求,还要考虑电机高速运转下的稳定性和散热问题等。针对以上的技术难点,本文以一台功率100k W,转速15000r/min,效率高于96%的空压机用高速永磁同步电机为设计要求,并设计合理的冷却方案来保证电机安全运行。论文具体研究内容如下:首先,针对如何提高高速永磁电机效率的问题进行了深入的研究。探究了不同充磁方式、组合式磁极、内置式永磁体张角以及永磁体的斜极形式等因素对高速电机铁耗的影响;研究了永磁体分段结构以及护套材料和厚度对高速电机涡流损耗的影响;针对高速电机高速运转下护套表面与气隙间的风摩损耗难以准确计算的问题,利用Fluent流体场计算软件对风摩耗进行了较为精确的建模仿真计算,为后文高效电机设计做铺垫。其次,针对电机要求的电磁性能指标对高效高速永磁同步电机进行了全面的设计。初步计算了电机的主要尺寸,将第二章对各类损耗的研究充分考虑到电机的设计中去,对比了优化后的表贴式和内置式两种转子磁极形式下的电机性能,确定了电机磁极结构。然后确定了电机的绕组形式,对比了不同的定子内径、气隙长度和极槽配合下电机的性能,以电机效率和成本为关键点确定了电机整体的电磁设计方案。并且对设计出的电机进行空载和负载条件下的电磁仿真,各项结果满足当初设计要求。最终,针对高速永磁电机体积小、频率高、散热条件差等问题,在电机的冷却结构形式方面设计了螺旋形、Z字型和环形多并联三种水道形式,并且将电机的各项损耗作为发热源加载到Fluent中进行仿真。通过流固耦合计算得到,环形多并联的冷却结构更适合此次电机设计,冷却效果更佳。针对初步选择出的水道形式研究了水道流速以及截面形状对电机冷却效果的影响,最终完成电机冷却结构的设计。
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