开题报告_李明杰.docVIP

沈 阳 工 程 学 院 毕业设计（论文）开题报告 兆瓦级高速永磁电机冷却系统设计 系 部： 机械工程系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学生姓名： 李明杰 指导教师： 王天煜 开题时间： 2012 年 3 月 12 日  一、毕业设计（论文）课题的意义、国内外现状及发展趋势(可加附页) 1、国内外现状 高速电机由于体积小、功率密度大和效率高，成为电机领域的研究热点之一。永磁电机以其结构简单，力能密度高和无励磁损耗效率高等优点，最适合于高速电机。 由于军用和民用对高速电机的需求，上世纪末以来，英美等发达国家竞相开展对高速电机的研究，其典型代表是：美国麻省理工学院(MIT)的电磁和电子系统实验室研究的5MW高速感应发电机；德克萨斯州立大学机械电子中心用于先进机车推进系统的3MW高速同步发电机和高速感应飞轮电机；英国Turbo Genset公司推出的以1.2MW高速永磁发电机为核心的新型移动电站；其中美国Calnetix公司开发的高速永磁电动机/发电机广泛应用在各个行业，高速电机的功率范围从只有几瓦到兆瓦级，转速从4000r/min到450000r/min，典型的转速范围为30000r/min~100000 r/min，其产品长期运行验证了可靠性，居世界领先地位。图1.1为美国Calnetix公司开发的2MW发电机。 图1.1 美国Calnetix公司开发的2MW发电机 图1.2 内部剖视图 我国对高速电机的需求也比较迫切，但仍处于研制阶段，一些科研机构、高等院校以及部分航空发动机制造公司正在开展相关技术的研究。本课题来源于由沈阳工业大学承担的国家重点自然科学基金项目“微型燃气轮机—高速发电机分布式发电与能量转换系统研究。 2、课题意义 高速电机的主要特点有两个:一是转子的高速旋转，转速高达每分钟数万转甚至十几万转，圆周速度可达200m/s以上；二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率，一般在1000 Hz以上。由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。高速高频电机与普通电机相比设计难度较大，对于永磁电机来说，转子强度问题更为突出，因为永磁体不能承受高速旋转产生的拉应力而必须对其采取保护措施。因此转子强度的准确计算和动力学分析是高速永磁电机设计的关键技术。高速电机的功率密度高，单位体积内的损耗也比普通电机大的多，转子温升过高会导致转子失磁，为了保证高速电机正常运行，必须准确计算高速电机内的温升。因此温升损耗计算及冷却系统设计同样是高速永磁电机设计的关键问题。本课题是与江苏航天动力联合研发的兆瓦级高速永磁电机，对于大功率高速电机冷却系统设计更为重要。 电机的各种损耗是电机发热的内在因素，电机在运行中产生的铜耗、铁耗和机械损耗，基本上都要转变为热能，除了冷却介质带走的一部分热量外，其余的将引起电机温度的升高。定子铁心中的基本铁耗，主要是主磁场在铁心中发生变分布于定子铁心的扼部和齿部中，它包括磁滞损耗和涡流损耗。空载时铁心中的附加(或杂散)损耗，主要指由定子和转子开槽而引起的气隙磁导谐波在对方铁心表面的表面损耗和因开槽而使对方齿中磁通因电机旋转而变化所产生的脉振损耗。电机各部分绕组(或鼠笼条和端环)里的电气损耗俗称铜耗。机械损耗包括通风损耗(由转子旋转引起的转子表面与冷却气体的摩擦损耗)、轴承摩擦损耗和电刷摩擦损耗。所以，准确计算电机中的热源大小及其分布，可有的放矢地采取措施冷却发热部分，以求电机的温升限制在允许的范围之内，并力求均匀化。 电机的损耗一般可分为下列各类:基本铁耗、附加损耗、铜耗和机械损耗等。针对这些损耗所产生的热量，就要选择特别的冷却方式通过热交换来带走热量，保证电机的正常工作。电机内的通风结构以及冷却方式多种多样。从总体结构上分类，主要有水氢氢、全氢冷、双水内冷及全空冷等。从定子结构分类又有单风区、多风区、正向通风与逆向通风等不同通风方式。而转子绕组内冷通风结构则有气隙取气斜流通风、副槽进风的轴-径向混合通风、副槽进风的全径向通风等方式，励磁绕组端部的冷却又分为轴向内冷、轴向+补风（所谓一路半通风）、绕组间接外冷（采用隔块形成风路）。大功率电机由于其体积空间狭小、体积能量密度更高，冷却条件更恶劣，对冷却系统地分析研究要求也更高。对于一种自主开发的新产品，其冷却结构能否满足电机安全运行的需要，是否能将电机各发热部分（主要是定、转子绕组及定子铁心）的温升控制在合理范围内，一直是电机研发人员关心的焦点之一。因此，在产品设计阶段，通过合理运用传统的或现代的、计算的或实验的，或通过对已经运行产品的实际运行数据来直接或间接预测和验证正在开发的产品通风冷却