第 1 章 绪论
1.1 课题研究的目的和意义
近年来，随着能源危机与环境问题的日趋严重，各国都积极寻找高效节能的电力设备，以使电能的使用效率达到最大。非晶合金电机具有低损耗、高效率和在高频高速下良好运行等优点，该材料被誉为二十一世纪“绿色材料”。非晶合金非常成功的应用于电力变压器领域，使电力变压器空载损耗降低了70%以上[1]。采用非晶合金制作电机铁心，可大幅降低铁心损耗和温升 [2]。文献[3]指出，电机工作在几百到几千赫兹时，非晶合金为更加理想的铁心材料，其性能优于硅钢片。非晶合金如果能成功应用于占全球整个工业用电量70%左右的电机领域，将会带来更加显著的节能效果和经济价值。 本课题是国家科技支撑计划项目“非晶节能材料在特种电机和电抗器中的示范应用”（项目编号：2013BAE08B00）中的一部分，计划项目主要针对非晶合金产业化推广中的瓶颈问题开展研究，而本课题重点开展非晶合金轴向磁通永磁电机冷却系统设计与热计算工作。 非晶合金材料也有其不容忽视的缺点：硬度过高且脆，不易加工；厚度仅为0.03mm；填充系数低；带材最大尺寸有限，从而为它在径向磁通电机的使用带来困难，而广泛应用于轴向磁通电机。轴向磁通永磁电机具有功率密度高、体积小、重量轻和结构紧凑等优点。同时又给轴向磁通永磁电机冷却结构的设计提出了高散热能力、良好工艺性和高可靠性的要求，冷却结构的合理地设计是发挥轴向磁通永磁电机优势的基本保障。电机发热与冷却问题，是一门包含着传热学、流体力学、电磁学和电机工程等学科的综合性研究。随着各学科理论和计算机技术的不断成熟与发展，电机温度场、流体场和电磁场的分析将会变得更加深入详细。尤其是对电机各物理场的综合研究，可获得各物理场的相互关系及变化规律，为新型、高性能、大容量的电机设计提供新理论方法。所以，准确描述电机内温度场的分布不仅可以参考其参数、结构以及运行状况，来分析电机的实际运行状态，为故障的预警和诊断提供依据；还可以与优化设计相结合，通过计算机仿真指导电机的设计，这样即可节约成本，又可减少制造周期，具有重要的意义。
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1.2 课题国内外研究现状
随着电机制造业的发展，单机容量不断增大，技术经济指标大大提高，使电机运行时单位体积损耗增长，引起电机温度升高，并直接影响电机寿命和运行可靠性。因此，电机的发热与冷却问题日益受到重视。电机的冷却方式主要有空气冷却、液体冷却、氢气冷却和蒸发冷却。在中小电机领域，冷却介质以空气为主，主要采用自然风冷和强迫式风冷两种形式。随着电机功率密度的提高，渐渐以液冷方式取代风冷方式。 国内外学者对液冷方式进行了诸多的研究，H. Neudorfer对三相交流机座采用双臂结构电机采用了水冷系统，冷却介质以螺旋或迂回的方式流过机座，温升试验表明冷却效果符合要求[4]。 梁培鑫，柴凤等遵照水路设计的步骤，经过详细的推导计算，对目前使用较多的轴向“Z”字型和周向螺旋型的冷却结构进行了全面冷却性能对比[5]，如图1.1所示。在对比分析两种冷却结构优缺点的基础上，综合考虑了冷却结构的散热效果、对外散热器和泵体的影响，给出基水冷电机冷却结构的选择方法。
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第 2 章 非晶合金轴向磁通永磁电机热网络平台
电机温升计算涉及到传热学、流体力学和电磁学等学科的综合性研究，要提高计算的准确性，就需要建立完整的数学和物理模型[51]。本章基于编制的热网络程序构建了热网络计算平台，对双定子单转子结构轴向磁通永磁电机进行分析计算，并通过有限元法和试验结果进行对比验证。
2.1 等效热网络的基本原理
随着各个学科理论的不断成熟和计算机技术的不断发展，电机温度场的分析计算方法也越来越多样化，但等效热网络法一直保持其精确、快速、占用计算机资源小和工作量小的特点，为电磁方案的最初设计提供了很大的方便，所以本章采用了等效热网络法。 用等效热网络法对轴向磁通永磁电机进行温度场计算，在对电机进行网格划分和求解时，对电机计算模型进行一些必要的简化，因此提出了如下假设条件： （1）电机的温度沿周向对称分布，电机在周向的冷却条件相同，即在周向的热源和冷却条件均一致； （2）铜的导热系数为定值，即绕组在径向方向上存在着温度梯度； （3）腔内空气各点的温度相同，即用同一节点进行划分； （4）忽略定子绕组产生的集肤效应。 热量主要有三种传递方式：热传导、热对流以及热辐射。电机损耗产生的热量，一般由内部发热体通过热传导或对流传递到电机表面，再通过对流和辐射作用传递到周围环境中。由于电机运行时温度相对较低，辐射散热相对电机总散热量中比例较小，可忽略不计。
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2.2 非晶合金轴向磁通电机等效热网络分析与计算
本次热网络主要对双定子单转子轴向磁通永磁电机结构进行编写，考虑到该类型电机的结构特点和热网络法网格划分的原则，对电机进行相关节点的划分，各节点的轴向分布如图2.1所示。对图2.1中的各节点单元进行介绍：单元1~3为机壳温度节点；单元4~6为电机内空气温度节点；单元9、16、23、15、22、29为定子轭部温度节点；单元11、18、25、13、20、27为定子齿部温度节点；单元7、10、17、24、30、8、14、21、28、31为电机绕组温度节点；单元12、19、26为电机永磁体温度节点；单元32、33为电机转子温度节点；单元34~38为电机转轴温度节点；单元39、40为电机轴承温度节点；单元41~50为电机端盖温度节点；单元51~60为电机水套温度节点；单元A~J为电机冷却水道温度节点；单元a~c为机壳外空气温度节点；单元d~m为冷却水套中外空气温度节点。
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第 3 章 非晶合金轴向磁通永磁电机水冷系统设计与分析.....29
3.1 计算流体力学基本理论.....29
3.2 电机的冷却介质..... 30
3.3 水路结构的对比..... 31
3.4 螺旋水道设计...... 36
3.5 本章小结 .....41
第 4 章 非晶合金轴向磁通永磁电机温度场计算.....43
4.1 端盖冷却结构优化前后温度场对比.....43
4.2 基于热网络计算平台温度场分析.....45
4.2.1 热网络法与有限体积法计算值对比.....45
4.2.2 冷却水速对电机温升影响 .....45
4.2.3 冷却介质温度对电机温升影响.....47
4.2.4 转轴导热系数对电机温升影响.....47
4.3 本章小结.....49
第 5 章 结论.....50
第 4 章 非晶合金轴向磁通永磁电机温度场计算
第3章对非晶合金轴向磁通永磁电机的端盖水冷结构进行了优化设计，而检验水冷结构散热效果的衡量标准就是电机各部件的温升性能表现。电机温升的过高不仅破坏绕组的绝缘材料，还直接影响电机的使用寿命。对于永磁电机而言，温升过高还将引起永磁体的失磁，严重威胁着电机的安全运行。针对轴向磁通永磁电机内部的复杂结构，本文建立了轴向磁通永磁电机的3D物理模型，基于有限体积法求解了电机的3D温度场分布，并对原有冷却结构和优化后的冷却结构的冷却效果进行了对比分析。最后验证了热网络计算平台，并基于热网络计算平台分析了冷却水速、冷却介质入口温度和转轴导热系数对7kW非晶合金轴向磁通永磁电机温度场的影响。
4.1 端盖冷却结构优化前后温度场对比
电机最初冷却结构为不含任何隔水结构的端盖水冷系统如图4.1a所示，结构简单，制造方便。优化后的冷却结构为上文确定的螺旋型冷却结构如图4.1b所示，该种冷却结构有效地增大了电机的散热面积，在合理的设计条件下，均化流体速度，降低流阻，加大了对流散热的能力。为验证以上冷却结构的散热效果，本节根据7kW非晶合金轴向磁通永磁电机具体尺寸进行了solidworks三维物理模型建立，然后导入Gambit软件中进行网格化处理、边界条件设定，最后使用FLUENT软件进行流体场仿真，计算出电机温度场分布。电机热源分布如表4.1。
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结论
本文针对非晶合金轴向磁通永磁电机温度场和流体场进行了研究，首先编制了非晶合金轴向磁通永磁电机的等效热网络程序，构建了热网络计算平台，用该平台对20kW轴向磁通永磁电机进行温度场计算，并利用有限元法和试验进行了可靠性验证，；其次用FLUENT软件对三种端盖冷却结构进行流体场仿真计算，选出了一种最优冷却结构并进行了水道的优化设计；最后对电机进行了优化前后冷却结构的对比并通过热网络计算平台改变相关参数研究了其对电机温升的影响，具体工作与结论如下：
（1）用编写的热网络程序及计算平台完成了20kW电机的温度场计算，并利用有限元法和试验进行了温升结果对比。对比结果显示，误差在允许范围内且满足工程上的需要，说明此套热网络程序的可靠性，而且具有操作简单、物理概念清晰和计算量小等特点，可以作为轴向磁通永磁电机的初始设计及优化设计中的温升快速计算工具。
（2）利用FLUENT软件分别对非晶合金轴向磁通电机的螺旋型、串联型和并联型三种端盖冷却结构进行仿真计算，从而得到不同冷却结构仿真所得到的温度场结果，并运用传热学和流体力学理论将水冷结构的计算结果进行对比，得出较为合理的螺旋型冷却结构。然后，对一台7kW轴向磁通电机进行了端盖螺旋冷却系统设计。利用FLUENT软件对螺旋结构进行了计算分析，最终确定了一套设计区域内外径为80/230mm、圈数为5、肋片厚度为3mm和轴向长度为10mm的高效螺旋型冷却结构，为同类型电机冷却系统的设计提供了参考依据。
（3）对比分析了优化前后冷却结构的冷却效果，结果显示优化后的螺旋结构具有更佳的冷却效果。对比验证了热网络计算平台，并基于此平台研究分析了三种参数对轴向磁通永磁电机温度场的影响，其中包括冷却水流速、冷却介质温度和转轴导热系数。随着冷却水速的增加，轴向磁通永磁电机的温升得到了有效降低，但当冷却水速达到2m/s后，冷却效率增长十分缓慢，电机的温升趋于稳定；冷却介质温度与电机的温升成线性关系；定子绕组平均温升受转轴导热系数影响较小。永磁体的平均温升随着转轴导热系数的增大呈现出降低的趋势，但随着转轴导热系数的继续增大，永磁体平均温升的降低越加缓慢。在轴向磁通永磁电机转轴材料选取时，应以导热系数为45 W/(m?K)的参考值进行选取，尽量避免导热系数过低。
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参考文献(略)