Thermal Analysis of High-Speed Permanent Magnet Electrical Machines With Liquid Cooling

The main goal of the submitted research is the development of an effective technique of the thermal calculation of the closed high-speed electric machine with excitation from the constant magnets and liquid cooling. In the work we can consider constructional features of the systems of liquid cooling of such machines with the zigzag- and helical form channels. The analysis of the last researches in the given area showed, that it is expedient to use the FEM-analysis for check of offered methods of the calculation. The entrance data for the formulation of a boundary problem of the calculation of a 3-dimensional thermal field of the machine by capacity 100 kVA, frequency of rotation 30000 RPM are submitted. Results of the calculation of this problem with using of a method of final elements are graphically shown. On the base of the analysis of a field of temperature and a gradient of temperature the structure of a thermal equivalent circuit was synthesized and proved. This structure represents the machine as set of 7 bodies with an internal thermal emission and allows to appraise its thermal condition at the initial stages of designing. Expressions for the calculation of a parameters of this equivalent circuit and a principle of formation of the system of the equations, for the further finding of unknown temperatures are resulted. The comparative analysis of the considered methods of the calculation of a thermal condition of high-speed machines with liquid cooling is carried out. The certain advantages of systems with helical channels are also revealed.Celem artykułu jest opracowanie metody obliczania stanów termicznych wysokoobrotowych maszyn wzbudzanych magnesami trwałymi chłodzonymi cieczą. W artykule przedstawiono rozwiązania konstrukcyjne systemów chłodzenia cieczą dla różnych kształtów kanałów chłodzących. Analizę obliczeniową przeprowadzono przy zastosowaniu metody FEM. Podano sposób sformułowania warunków brzegowych do wyznaczania trójwymiarowego pola temperaturowego na przykładzie maszyny elektrycznej o mocy 100 kVA i prędkości obrotowej 30000 obr/min. Stosując metodę elementów skończonych przedstawiono symulacyjne wyniki obliczeniowe w formie graficznej. Wykorzystując analizę pola temperaturowego i zmianę temperatury sformułowano strukturę termicznego obwodu zastępczego przedstawiającego analizowaną maszynę w układzie z 7 jednostek wewnętrznych źródeł wytwarzania ciepła. Opracowana struktura w formie obwodu zastępczego daje możliwość wstępnego określania stanu termicznego maszyny elektrycznej w zakresie opracowywania założeń projektowych. Ponadto zaprezentowano analizę porównawczą metod obliczania stanów termicznych wysokoobrotowych maszyn elektrycznych chłodzonych cieczą z uwzględnieniem kształtów kanałów chłodzących