10 kW超高速永磁电机三维瞬态温度场计算

为了考察电机在装配螺旋槽水冷套时对转子的冷却效果,针对1台功率10 kW、额定转速90 000 r/min的超高速永磁电机,采用有限元方法对电机三维温度场进行了研究,考虑了定子铁损、定子铜损,转子铁损和转子风摩擦损耗的影响。结果表明:定转子小间隙内的空气对转子起到了类似“热密封”的作用,当转子损耗功率较大时,仅依靠螺旋槽水冷套并不能有效地冷却转子,还必需辅以定转子小间隙的强迫空气冷却,以进一步降低转子温度。研究结果为大功率高速永磁电机热设计提供了重要参考依据。     

电推进飞机新型高功率密度轴向磁场永磁电机对比与分析

为了实现电推进飞机电机的高功率密度和高效率,提出了一种无槽轴向磁场永磁电机,该电机在继承定子无铁心轴向磁场永磁电机高效率优势的同时,能够实现更高的功率输出能力。首先,阐述了3种轴向磁场永磁电机的拓扑结构,包括定子无铁心轴向磁场永磁电机、无槽轴向磁场永磁电机及无轭分块电枢轴向磁场永磁电机。在此基础上,分别对3种电机的绕组因数、转矩输出能力和损耗分布进行了深入分析,对其损耗产生机理和影响因素进行了研究。针对飞机推进电机应用场合,对3种电机的电磁特性进行了对比。结果表明,提出的无槽轴向磁场永磁电机具有高功率密度和高效率的优势,适合应用于电推进飞机。最后,研制了一台50 kW定子无铁心轴向磁场永磁电机原理样机,试验结果验证了理论和仿真分析方法的正确性。     

波浪形非均匀间隙封严结构影响涡轮性能的数值模拟

利用数值模拟的方法研究了波浪形非均匀间隙封严结构和均匀轴向间隙封严结构下轮缘封严气流对涡轮性能的影响.研究表明:燃气入侵与出流结构受到静盘、动盘及主流切向速度的影响,以低于动盘转速同向旋转,并改变了转子的进气条件,增强了压力面马蹄涡强度,因此对转子出口流场造成很大影响.封严气流与上游导叶尾迹的相互作用引起转子通道内熵增,造成涡轮效率的下降.与均匀轴向间隙封严结构相比,波浪形非均匀间隙封严结构使大的入侵与出流结构破碎为小的结构,对涡轮性能的负面影响减小,涡轮效率提高了0.9%.结果证明了波浪形非均匀间隙封严结构在具有较好的封严效果的同时提高了涡轮性能.      

双级对转压气机轴向间隙对性能的影响

设计了7组不同轴向间隙的对转压气机几何数据,应用数值模拟手段获取其性能和流场细微结构,研究了对转转子轴向间距对压气机性能、进气角以及流场结构的影响.结果表明:①在轴向间隙从30%C(C为转子叶片根部弦长)到70%C增加的过程中,对转压气机峰值效率降低2%左右,上、下游对转转子峰值效率也降低约4%;②设计转速下近失速点效率和流量先上升后降低,在55%C间距时达到最大值;堵塞点流量增加,效率降低约3%;③在堵塞工况下,随着轴向间隙的增加上、下游转子进口气流角减小;④当轴向间隙增大至50%C时,继续增大对上下游转子来流攻角影响不大;⑤如果掺混损失占主导地位,通过减小轴向间距可有效提高压气机性能,如果是二次流损失占主导地位通过增加轴向间距来提高压气机性能是可行的方法.      

涡轮叶冠间隙流场PIV测量

为了研究带有冷却气流的涡轮叶冠间隙流场流动特性,采用粒子图像测速仪(PIV)技术得到了叶冠间隙流场中各个典型截面的瞬时流场显示,并对叶冠间隙流场特性进行了研究.研究发现:由于叶冠腔内有两股叶尖冷却气流的注入,叶尖泄漏流流过叶冠间隙时会与两股冷却流相互掺混,从而使腔内气流的流动状态变得非常复杂,因此在叶冠突肩之后以及叶冠腔内流体汇合处会有大小方向各异的涡流产生.同时,两股冷却气流均对泄漏流有一定的阻挡作用,前孔冷却流的阻挡作用更为明显.随前孔与后孔岀流比增加,前孔流及后孔流对泄露流的阻挡作用增强.      

转速匹配效应影响下周向槽机匣处理对转压气机性能的影响

采用数值模拟方法，通过分别在对转压气机（counter-rotating compressor, CRC）前后两排转子上进行周向槽机匣处理，研究了其在不同转速匹配方案下的扩稳效果以及对转压气机最先失速级的变化规律。结果表明：当前排转子R1转速高于后排转子R2时，其最先失速级为R1，当R2转速等于或高于R1时，其最先失速级为R2。在对转压气机的最先失速级进行机匣处理可以有效改善所处理转子的叶尖附近流场，包括来流相对气流角的减小、叶尖泄漏流反向轴向动量的减小、叶尖泄漏流与主流交界面位置的后移及叶尖堵塞程度的减弱等，进而提升了其失速裕度。机匣处理一般仅能对所处理转子的流场产生较大影响，但在特殊情况下也会使非处理转子的流场发生明显改变。     

叶根间隙泄漏流对跨声压气机转子性能的影响

为研究压气机转子上游叶根轴向间隙泄漏流对转子性能的影响程度以及泄漏流与转子流场之间的相互作用机制,对带有叶根泄漏流的跨声压气机转子流场进行了数值模拟。计算时分别采用了两种模化途径,即耦合求解转子上游叶根间隙内空腔与转子通道内的流场,以及求解将叶根间隙模化为进口边界的转子流场。结果表明:叶根泄漏流可使叶根附近流动堵塞增大,造成转子气动性能的恶化。另外,叶根泄漏流的周向速度分量越大,泄漏流对转子流场的不利影响也越大。     

高速永磁电机综合设计与分析

高速非晶合金永磁电机设计受电磁、机械、温升的制约,因此高速非晶合金永磁电机的设计是一个多物理场综合设计的过程。针对高速非晶合金永磁电机设计受多物理场制约的问题,基于多物理场的分析方法,分析了非晶合金材料对高速永磁电机电磁性能的影响；研究了内置式永磁转子在高速运行状态下的应力分布,并分析了轴承支撑刚度对转子系统临界转速的影响；针对高速非晶合金永磁电机损耗分布特点研究了其温度场的分布。基于提出的多物理场综合设计方法,设计并制造了一台额定功率15 kW、最高转速30 000 r/min的高速内置式非晶合金永磁电机,并对样机进行了试验,验证了仿真分析与设计方法的可行性,为高速非晶合金永磁电机的设计提供参考。     

转子叶顶间隙泄漏流轨迹前移的动力学机制

为了揭示压气机转子节流时其叶顶间隙流动的演变趋势及其形成机理,选取某亚声速轴流压气机转子为研究对象,采用多通道非定常数值计算方法对其内部流场进行了全三维数值模拟.结果表明:随着压气机转子流量减少,主流轴向动量减小,而在叶顶间隙两侧压力梯度和二次泄漏流的共同作用下,叶顶间隙泄漏流的轴向动量却不断增大,导致叶顶间隙区域内泄漏流与主流的轴向动量比不断增大,从而推动叶顶间隙泄漏流与主流的交界面不断向上游移动,这意味着叶顶间隙泄漏流在叶顶通道内造成的流动阻塞区不断扩大,正是叶顶间隙泄漏流相对于主流的增强造成的叶顶流动阻塞区不断扩大最终导致了该压气机转子进入失速状态.     

低速轴流压气机周向单槽机匣处理扩稳实验研究

周向槽机匣处理作为一种有效的扩稳措施得到了广泛应用,但是缺乏对其机理的深入理解和认识。为此,在一台低速单转子轴流压气机上考察了周向单槽机匣处理随轴向位置变化的扩稳效果。实验中获得了单槽不同轴向位置的扩稳规律,在该台压气机上得出了扩稳效果最好的槽位于40%~60%轴向弦长,而当单槽位于27%轴向弦长附近时,其扩稳效果最差。在此基础上,选取了最优扩稳槽位和最差扩稳槽位进行详细的壁面非定常流场测量和尾迹测量,对比分析了光壁条件与各单槽处理机匣对叶顶间隙泄漏流和转子尾迹的影响。结果表明,采用扩稳效果最优槽位之后,周向单槽能推迟叶顶间隙泄漏流与主流交界面前移,以及减弱叶顶间隙泄漏流非定常性,且能明显增强尾迹区1BPF(叶片通过频率)的能量,同时减弱0.5BPF的能量,达到扩稳的目的。而对于扩稳效果最差槽位而言,叶顶间隙泄漏流与主流交界面直到失速前也无法跨过单槽从叶片前缘溢出,周向单槽改变了叶顶间隙内部诱发突尖失速先兆的扰动传播方式;另外,其对转子尾迹区0.5BPF和1BPF的影响也比较小,从而使得其扩稳效果减弱。     

高压高速电机通风与散热分析

针对YKS规格的高压高速电机单机容量高、局部温升大等特点,以1台YKS5602 3 000 kW规格的高压高速电机为例,依据电机实际尺寸,建立了电机端部绕组及定转子模型。采用有限元法对流体场与温度场进行了仿真,计算出电机运行时各个通风槽内冷却气体流动情况,并对电机整体进行流固耦合分析,得到高压电机端部绕组及定转子温度场分布。对仿真计算结果分析,并与样机试验数据比较,结果表明:流体场和温度场耦合的方法能够准确地了解YKS电机各个通风槽内的气体流动情况及电机内局部温升分布。     

转盘-静盘腔内层流流动的相似分析及其N-S方程数值解

对转盘-静盘系统进行的相似分析表明:转盘-静盘腔内层流流场主要受入口流量数、旋转雷诺数、盘腔间隙系数、密封间隙系数和入口孔径比等5个参数影响。采用SIMPLE法对转盘-静盘系统层流流场进行了计算。结果表明:盘腔间隙的大小和密封冠对旋转核的存在具有决定性影响, 当入口流量数减小或旋转雷诺数增大时, 旋转核趋向于生成且转速增大;证明了影响径向速度的主要是惯性力, 而影响周向速度的是惯性力和粘性力共同作用。通过数值计算还得到了防止外燃气“入侵”的最小入口流量数。      

高位垂直进气转静系旋转盘腔流场的实验

利用粒子图像测速技术(简称PIV)对高位垂直进气的转静系旋转盘腔流场进行了实验研究.该盘腔由一个旋转盘、一个静止盘及静止的外围盘罩组成.实验结果表明:PIV粒子成像技术可以应用于旋转盘腔结构的流场测试, 在本实验的工况范围内, 大部分区域的流动已为湍流, 两盘间的流动结构明显具有Batch-elor流型的特点, 转盘和静盘两个表面附近形成各自独立的边界层, 两边界层之间有一个旋转核心, 核心区内旋流系数β比大间隙封闭系统湍流流动时旋流系数的值0.43要小.流量系数和旋转雷诺数的变化对旋流系数β的影响较小, 但转静间隙的变化对β的影响较为显著.      

单级跨音压气机整圈三维动静叶干涉的数值模拟

本文使用商业软件FLUENT,对某单级跨音压气机的整圈三维非定常动静叶干涉流场进行了数值模拟,计算并比较了拉开动静叶轴向间隙和正常轴向间隙情况下的不同流动状况。非定常整圈三维计算的结果模拟了清晰的动静叶干涉图像,并显示了静叶三个连续通道出口流量的周期性变化和滞后现象,表明可以利用成熟的CFD商业软件研究叶轮机械内部的复杂物理现象。     

跨声速级不同转速下静叶的损失特性

为讨论不同转速下静叶的气动及损失特性,在09倍设计转速下对某跨声速单级压气机进行了试验测量,获得了级特性曲线并对数值计算方法进行了校核。利用校核后的数值软件对07~11倍设计转速下压气机静叶内部流场进行了详细的数值研究,探讨了转速变化对静叶内部流场结构的影响机制,分析了流场结构与损失分布的关联性,对比了不同损失评价标准并给出了各自对于叶片优化设计的指导意义。结果表明:随着转速的增加静叶顶部流场持续恶化,而叶根和叶中流场变化较小；流道内的旋涡和压力梯度输运了低能流体团,造成了低能流体在流场中的积聚而形成高损失区。      

分数槽集中绕组表贴式永磁同步电机转子损耗

针对损耗模型很难准确地计算转子损耗且三维有限元方法占用大量时间的问题,基于二维运动瞬态有限元法,研究了1台36槽42极单层分数槽集中绕组永磁同步电机在恒转矩区和弱磁区以最大转矩运行时的转子损耗,并且研究了高速工况下永磁体轴向分段数量、槽口宽度以及气隙厚度对永磁体损耗的影响。研究发现,在整个转速区间永磁体损耗占转子总损耗的90%以上；转速低于1 500 r/min时,转子铁心磁滞损耗高于涡流损耗,高于1 500 r/min时涡流损耗明显高于磁滞损耗。永磁体分段能明显降低永磁体涡流损耗;负载工况下改变槽口宽度,永磁体涡流损耗几乎没有变化；增大气隙厚度虽然能降低永磁体损耗,但是效果并不明显；同时,更改槽口和气隙厚度会使电感发生变化,并进而影响电机的运行性能。     

轴向充磁圆筒型永磁直线同步电机气隙磁场解析计算

介绍了一种基于许-克变换法的轴向充磁结构圆筒型永磁直线同步电机(TPMLSM)气隙磁场解析计算方法。首先采用许-克变换法计算出无齿槽时电机的气隙磁场;然后利用许-克变换法求取初级铁心开槽时的气隙相对比磁导函数,分析铁心开槽对气隙磁场的影响;最后通过无齿槽时的气隙磁场与有齿槽时的气隙磁场相对比磁导函数得到有齿槽时电机的气隙磁场分布。同时给出了该种充磁结构TPMLSM气隙磁场解析计算表达式,并以1台36/12极槽配合轴向充磁TPMLSM样机进行试验。试验结果证明空载气隙磁场的有限元分析值与解析值较吻合,空载电动势(EMF)计算值、试验测试值、有限元分析值一致。     

静叶吸气对某轴流压气机裕度影响的研究

运用Numeca CFD对某大弯度叶栅和某轴流压气机流动进行数值模拟,为减小由于边界层分离而带来的损失,拓宽稳定工作范围,提出叶片吸力面表面开缝抽气方案.综合研究开缝位置、开缝长度、及吸气量大小对流动分离结构和裕度的影响.结果表明通过静子叶片上边界层抽气引出分离区域的低能量气流,可以明显的改善气动性能,分离得到很好的抑制,稳定工作裕度得到了提高.      

Static magnetic field analysis of hollow-cup motor model and bow-shaped permanent magnet design

The hollow-cup Permanent Magnet (PM) motors have the characteristics of low power consumption, and are widely used in the aerospace field. At present, the tile-shaped PMs used by hollow-cup PM motors have poor sinusoidal characteristics of the air gap magnetic flux density waveform, which will cause torque ripple. The existing method for improving the air gap magnetic flux density waveform is not very effective when applied to hollow cup, a special motor with no stator core and large air gap. A bow-shaped PMs structure is designed for the hollow-cup motor in this paper. First, the equivalent surface current method is used to calculate the analytical formula of the static magnetic field of the model. Then, the Finite Element (FE) method is used to calculate the static air gap flux density waveform of conventional tile-shaped PMs and bow-shaped PMs with different bow heights, and the corresponding harmonics and sine distortion are obtained by Fourier decomposition. The simulation results show that the bow-shaped PMs can effectively improve the sinusoidal characteristics of the static air gap flux density waveform. And the suitable bow height is determined. Finally, a prototype is made based on the suitable bow height for experiments, and compared with the analytical result and the FE result, and the accuracy and effectiveness of the bow-shaped PMs with the suitable bow height are verified.