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可靠性与测试
★ 4.0
空心导体增材制造线圈及250 kW表面贴装永磁电机热管理系统综合表征
A Comprehensive Characterization of Hollow Conductor Additively Manufactured Coils and Thermal Management System for a 250 kW SPM Machine
| 作者 | Sina Vahid · Salar Koushan · Towhid Chowdhury · Ayman M. EL-Refaie |
| 期刊 | IEEE Transactions on Industry Applications |
| 出版日期 | 2024年10月 |
| 技术分类 | 可靠性与测试 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 热管理系统 增材制造线圈 液冷配置 有限元分析 实验结果 |
语言:
中文摘要
本文针对一台功率为250千瓦、转速为5000转/分钟的表贴式永磁电机,通过基于热管的液冷热管理系统,对增材制造线圈的热管理系统及其性能进行了全面研究。文中描述并讨论了热管和液冷测试装置。通过实验结果对热性能进行了分析,结果表明本文提出的热管理系统是有效的。在80 Arms至140 Arms的电流水平以及高达800 Hz的频率下,对单冷凝器和双冷凝器液冷配置进行了测试。对这些冷却系统的比较表明,两种配置对AlSi10Mg增材制造线圈均有效。对于所提出的系统,热负荷未超出任何一种冷却方法的能力范围,因此性能相近。利用ANSYS Maxwell进行有限元分析(FEA),对不同频率和电流水平下的损耗进行建模。有限元分析结果与实验结果相符,最大误差为5.9%。最后,利用有限元分析结果预测了超出实验装置测试范围的额定工况(1250 Hz和268 A<sub xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">rms</sub>)下线圈的实验损耗。
English Abstract
This paper presents a comprehensive study on thermal management system and behavior of additively manufactured coils through heat pipe based liquid cooling thermal management system, for a 250 kW and 5,000 rpm surface permanent magnet machine. Heat pipes and liquid cooling test setups are described and discussed. The thermal discussion is concluded by experimental results showing the effectiveness of the thermal management system proposed in this paper. Single and dual condenser liquid cooled configurations are tested under current levels ranging from 80 Arms to 140 Arms and up to 800 Hz. Comparison between these cooling systems shows the effectiveness of both configurations for AlSi10Mg additively manufactured coils. For the proposed system, the heat load does not exceed the capabilities of either of the cooling methods and therefore the performances are similar. FEA is performed using ANSYS Maxwell to model the losses at various frequencies and current levels. The FEA results match the experimental findings with a maximum error of 5.9%. Finally, the FEA results are used to predict experimental losses for the coils at the rated conditions of 1250 Hz and 268 Arms which are beyond the experimental setup limits.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于增材制造线圈及热管理系统的研究具有重要的战略参考价值。该研究聚焦于250 kW表贴式永磁电机的热管理优化,这与我们在储能变流器、大功率光伏逆变器以及新能源汽车驱动系统中面临的核心技术挑战高度契合。
增材制造空心导体线圈技术为我们的产品设计提供了新的可能性。相比传统绕组工艺,这种技术能够实现更复杂的冷却通道设计,显著提升功率密度。论文中采用的热管与液冷混合方案,在80-140 Arms电流范围内展现出优异的散热性能,这对于我们开发下一代高功率密度储能系统PCS和1500V+大功率逆变器具有直接借鉴意义。特别是在大型地面电站和工商业储能场景中,设备的热管理效率直接影响系统可靠性和生命周期成本。
技术成熟度方面,该研究通过有限元仿真与实验验证的闭环验证(误差小于5.9%),显示出较高的工程化潜力。AlSi10Mg材料的应用也符合轻量化和成本控制趋势。然而,我们需要关注几个关键挑战:一是增材制造的规模化生产成本和一致性控制;二是在更高频率(1250 Hz)和极端环境下的长期可靠性验证;三是与现有产品平台的集成适配性。
建议我们的中央研究院启动预研项目,重点评估该技术在800V储能系统双向变流器和电动汽车电机控制器中的应用可行性,同时与增材制造设备供应商建立合作,探索降低制造成本的路径,以保持我们在新能源装备热管理技术上的领先优势。