有限公式法又称为元胞法,是一种基于代数型控制方程的新型数值计算方法。其离散方程物理意义清晰明确、具有局部积分守恒性,在多物理场耦合问题上有着独特的优势。本课题主要针对基于有限公式法的永磁电机内多物理场耦合计算技术展开研究,主要研究工作包括以下几个方面:(1)研究基于有限公式法的永磁电机温度场计算技术。针对电机铜耗、铁耗、永磁体涡流损耗、材料热传导性能、散热面对流传热性能随电机及冷却介质温度变化的特点,建立一套电机温度场的双重循环迭代计算技术。通过迭代系统的内循环修正腔内流体的温度,由流体温度修正对应散热面的对流传热系数;通过系统外循环实现电机温度分布对电机电磁损耗、材料导热系数的影响。通过双重循环迭代系统,实现温度场中作为输入量的物性参数和作为输出量的计算结果间的双向适应,得到更高的温度场计算精度。针对循环系统中导热系数的修正引入较大计算量的问题,提出一种以导热系数和温度的乘积作为未知量的有限公式法温度场数学模型,降低循环系统的计算量,简化了迭代计算流程,形成易于求解的电机温度场双重循环精确计算技术。(2)研究电机内流场的有限公式数值计算方法。针对流场动量守恒方程中对流项刚度矩阵不对角占优的问题,提出一种具有二阶截断误差的对流项离散格式,该离散格式绝对稳定,在低马赫数问题中具有较高计算精度,且对于非结构网格无需在计算中寻求远上游延伸节点。针对对流项刚度矩阵非对称正定的问题,提出一种具有一阶截断误差的对流项离散格式,采用该离散格式可以形成对称正定形式的对流项刚度矩阵、便于迭代求解,且在低马赫数问题中具有一定的计算精度。在流场数值计算中将本文提出的两种离散格式相结合,先采用一阶格式快速计算、再利用二阶格式精确求解,实现流场计算效率的明显提升。(3)分析电机内流场—温度场—电磁场的各类耦合关系,针对域耦合推导流体域发热与传热数学模型;针对边界耦合和源耦合建立流固交界面热量传递模型;针对属性耦合形成流体动力粘度、永磁体剩磁、矫顽力、导电材料电阻率的温度修正方程。推导基于有限公式法的电机流场—温度场—电磁场耦合数学模型,建立基于有限公式法的电机耦合场分析技术。应用该耦合分析技术计算一台水冷永磁牵引电机内耦合的流场、温度场、电磁场,通过对比耦合计算值和实验测量值,验证算法的准确性。(4)提出一套由转子径向风孔隔板作为离心式风扇驱动的自循环轴向—径向混合通风冷却系统,用以实现高速全封闭式永磁电机的有效冷却、均衡电机内的温升分布。解析分析定子轴向通风孔尺寸、数量、转子轴向通风孔尺寸等冷却系统参数对电机温升的敏感性。应用耦合分析平台计算不同冷却结构参数下电机内的冷却风量和电机温升分布,选取适宜的冷却系统结构及参数。