摘 要

北极航线连通了亚欧美三大洲，它的开启，是亚洲和欧美之间的贸易捷径。随着新能源时代的到来，永磁电机以其结构简单、效率高、调速范围广、动静态特性好等优点，被人们广泛的应用于各个领域，也是世界各国近年来大力发展的方向。永磁电机在极地低温环境下，由于温度的降低，会使定子，转子和绕组由于材料的不同而产生不同的缩性形变。同时，电机的磁性材料AlNiCo的磁通密度会有所下降^[17]，在这两种因素的影响下，永磁电机的电动势、转矩、功率等会受到影响，这些影响会直接影响船舶永磁电机的安全性和可靠性。为此，研究极地海域低温环境对永磁电机各部分材料的冷缩和磁通密度的影响至关重要^[15]。

本文首先对永磁电机的工作原理和基本组成等进行了详细的分析；其次，对极地海域低温环境对永磁电机机电特性的主要影响因素开展仿真实验并进行分析，根据永磁电机的等效模型，基于COMSOL Multiphysics5.4软件多物理场联合仿真的求解；建立圆形表贴式永磁同步发电机，电机为４对极，定子槽个数为8，单层绕组的二维模型，通过调节模拟环境温度为极地温度，设置223.15K到213.15K的温度区间为参数变量进行仿真实验，从温度对电机定子，转子，绕阻的热膨胀影响和温度对永磁电机磁通密度的影响两方面进行仿真分析^[16]。

关键词：永磁电机；极地温度；热膨胀；磁通密度;转矩

Abstract

Arctic routes connecting the three continents, Europe and America, and it's open, is a shortcut of the trade between Asia and Europe and the United States with the advent of the era of new energy, permanent magnet motor with its simple structure with high efficiency wide speed range as well as good dynamic and static characteristics, is widely applied in various fields, and the world in recent years, developing in the direction of the permanent magnet motor in polar low temperature environment, due to the lower temperature, can make the stator, rotor and winding due to the different material and produce different shrinkage deformation. At the same time, the motor's magnetic material AlNiCo magnetic flux density will be decreased, under the influence of these two factors, the electromotive force torque of permanent magnet motor power will be affected, these effects will directly affect the ship's permanent magnet motor, therefore, the safety and reliability of the research on polar Marine low-temperature environment of each part of the permanent magnet motor material from the cold and the influence of the magnetic flux density of permanent magnet motor is crucial.

In this paper, first of all, the working principle and basic composition and so on has carried on the detailed analysis; Secondly, the simulation experiment was carried out and analyzed on the main influencing factors of the low temperature environment in the polar sea area on the mechanical and electrical characteristics of the permanent magnet motor. According to the equivalent model of the permanent magnet motor, the solution was obtained based on the COMSOL Multiphysics 5.4 software multi-physical field joint simulation. Establish a round table type permanent magnet synchronous generators, motors for 4 to extremely, the stator slot number is 8, a two-dimensional model of single layer winding, by adjusting the temperature of polar simulation environment temperature, set temperature range for the parameters of the 223.15 k to 213.15 k variable simulation experiment, from the temperature on the motor stator, rotor, thermal expansion effect and the temperature of the winding magnetic flux density of permanent magnet motor simulation analysis was made on the influence of the two aspects.

Keywords: permanent magnet motor; Polar temperature; Thermal expansion; Magnetic flux density; torque

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 国内外永磁电机的研究现状 2

1.2.1 国外永磁电机的研究现状 2

1.2.2 国内永磁究电机的研现状 3

1.3本文研究的主要内容及拟定的技术措施 3

1.4本章小结 4

第2章 永磁电机物理及数学模型的建立 5

2.1 永磁同步发电机的空载运行 6

2.2 永磁同步电动机的数学模型 7

2.3 本章小结 8

第3章 软件简介与建模流程说明 9

3.1 COMSOL软件介绍 9

3.2 COMSOL建模流程 9

3.3 永磁电机二维仿真模型 10

3.3.1 建模所需的基本参数 10

3.3.2建模过程 10

3.4 本章小结 12

第4章 极地低温环境对电机冷缩和磁通密度的影响 13

4.1 模拟极地温度参数的调试 13

4.2 机体冷缩模型 13

4.3 磁通密度模型 15

4.4 线圈端电压分析 18

4.5本章小结 19

第6章 总结与展望 20

5.1 总结 20

5.2 展望 20

参考文献 21

致谢 23

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

欧亚航路链接了西欧和亚太地区，是我国与欧美各国海上贸易的主要航线。而欧亚航路途径地中海、苏伊士运河和红海，整个航程需要28天左右。长航程使得船舶对燃油的消耗异常巨大，往来贸易成本一直居高不下。随着气温升高，北极冰雪消融，北极航线可在一定时间内开启。北极航线连通了亚欧美三大洲，它的开启使得亚洲和欧美之间的贸易航线极大的缩短。目前北极航道由两条航道组成，其一是加拿大沿岸的西北航道，其二是西伯利亚沿岸的东北航道，这两条航道都极大的减小了我国与欧美的贸易航线。

然而无论是西北航道还是东北航道，由于极地温度比起船舶在一般情况下航行时的温度要低得多，极地的低温环境会对船舶上的永磁电机机电特性产生影响，使电机的性能衰减愈加明显，稳定性问题愈加突出，研究极地海域低温环境对永磁电机的机电特性影像性分析具有国家发展战略意义并且随着科技的进步永磁电动机作为主要动力来源广泛应用于智能船舶，新能源汽车等领域，顺应绿色环保的发展趋势，永磁电机的应用会更加的普遍。我国一直是永磁电动机和永磁发电机的生产大国，根据国家统计局数据分析2017年，我国永磁电机产量首次突破1000万千瓦^[1]，达到1107.1万千瓦，成为全球永磁电机的主要生产国。

图1.1 2016-2018我国永磁电机市场规模