浸油冷却轮毂永磁同步电机设计及温升计算

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浸油冷却轮毂电机功率密度高、散热能力强,省去循环油冷所需的油泵、油路管道等设备,提高了驱动系统的集成度和可靠性,在轮毂空间受限不具备油路外循环条件的特殊场合中具有重要应用价值。然而,轮毂电机内部浸油会产生附加油摩损耗,降低了电机输出转矩和效率,同时影响了电机温升的计算。因此,论文以浸油冷却轮毂电机为研究对象,深入开展油摩损耗解析计算、计及油摩损耗的电磁设计及优化、温升计算等方面的研究。主要内容包括:(1)针对传统油摩损耗解析式将定转子结构简化为同心圆柱体导致计算误差较大的问题,建立计及定子齿槽及杯型转子结构作用的油摩损耗解析模型。首先,依据转子结构特点,分别进行计及定子齿槽作用的气隙油摩损耗解析推导和杯型转子结构作用的端面油摩损耗解析推导。其次,建立基于CFD(Computational Fluid Dynamics)的流场仿真模型,并搭建搅油试验平台进行油摩损耗测试,通过仿真和试验来验证解析模型的准确性。最后,分析了槽口宽、槽口高、气隙长度等电机结构参数及冷却油粘度、密度等物性参数对油摩损耗的影响规律。(2)针对浸油冷却轮毂电机油摩损耗与电磁性能耦合作用复杂易导致电机设计时出现整体损耗大而效率低的问题,以损耗最小为目标,建立计及油摩损耗的浸油冷却轮毂电机优化设计模型。首先,依据技术指标,得到电机初步设计方案,并建立有限元模型进行电磁性能分析。其次,建立计及油摩损耗的轮毂电机损耗数学模型,对有限元模型进行参数化后,基于响应面模型和遗传算法,进行优化设计。最后,通过对比优化前后方案在不同运行工况的损耗,验证优化方案的有效性。(3)针对浸油冷却轮毂电机内部存在冷却油和空气两种物理相,常规的单相流固耦合模型不适用于计算其温升的问题,建立双相流固耦合模型计算电机各关键部件的温升,进一步,研究了电机额定工况下不同油位对电机温升的影响,确定冷却效果最好的油位系数,基于最佳油位,对设计的轮毂电机其他运行工况下的温升进行了评估。(4)依据设计方案完成样机的试制,并针对定子绕组进行了耐电压试验,针对转子进行了动平衡处理,最后通过对拖试验测试了电机不同转速下的空载反电势,验证了设计方案的有效性。论文研究成果为浸油冷却轮毂电机油摩损耗及温升计算提供了技术支撑,也为浸油冷却轮毂电机优化设计奠定了基础。
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