Design and analysis of a 120kW High-speed permanent magnet motor for centrifugal compressor

High-speed permanent magnet synchronous motor (HSPMSM) has many advantages, such as small size, high power density, and can be directly connected with high-speed loads, reducing the weight and volume of the system, etc., therefore, it has been widely used in many fields. Researching on high-speed permanent magnet synchronous motor technology would benefit the development of aerospace equipment manufacturing, automobile and shipboard industries, high-precision machining and advanced industrial equipment, which is of great significance for the industrial structure optimization. In this thesis, a high-speed permanent magnet synchronous motor with a rated power of 120kW is studied. The design of this high-power high-speed permanent magnet synchronous motor is carried out. The main work contents are as follows: (1) Based on the analysis of the motor operating conditions and the summarization of the design specifications, this thesis designed the motor by adopting the motor design routine which combines the magnetic circuit method and electromagnetic field finite element method. Through continuous optimization, the dimensional parameters of the motor are obtained. (2) The electromagnetic properties of the motor were analyzed by electromagnetic field finite element analysis. The rationality and correctness of magnetic circuit design and finite element modeling are verified by steady-state static magnetic field simulation. The power angle characteristics, no-load performance and full-load performance of the motor are checked by transient field simulation analysis. The origins of the motor losses are analyzed, and the loss values at the rated condition are calculated to obtain the motor efficiency. (3) Based on the specific working conditions of the compressor, a novel evaporative cooling configuration combining spiral channel and refrigerant cooling was designed. Through the reasonable simplification and assumption of the geometric model and boundary conditions, the steady temperature field module is used to analyze the temperature distribution of the motor, and the heat dissipation effect of the cooling structure is preliminarily verified. A water cooling configuration is also designed and validated. (4) The strength of the rotor structure under high-speed condition was checked. A rotor support scheme based on aerostatic bearings is used, and the overall mechanical structure of the motor assembly including the bearing is given.

Il motore sincrono a magneti permanenti ad alta velocità (HSPMSM) ha molti vantaggi, come dimensioni ridotte, alta densità di potenza e può essere collegato direttamente con carichi ad alta velocità, riducendo il peso e il volume del sistema, ecc. stato ampiamente usato in molti campi. La ricerca sulla tecnologia dei motori sincroni a magneti permanenti ad alta velocità gioverebbe allo sviluppo della produzione di attrezzature aerospaziali, all'industria automobilistica e di bordo, alla lavorazione di alta precisione e alle attrezzature industriali avanzate, che è di grande importanza per l'ottimizzazione della struttura industriale. In questa tesi viene studiato un motore sincrono a magneti permanenti ad alta velocità con una potenza nominale di 120kW. Viene realizzato il progetto di questo motore sincrono a magneti permanenti ad alta potenza. I principali contenuti di lavoro sono i seguenti: (1) Sulla base dell'analisi delle condizioni operative del motore e del riepilogo delle specifiche di progetto, questa tesi ha progettato il motore adottando la routine di progettazione del motore che combina il metodo del circuito magnetico e il metodo degli elementi finiti del campo elettromagnetico. Attraverso l'ottimizzazione continua, si ottengono i parametri dimensionali del motore. (2) Le proprietà elettromagnetiche del motore sono state analizzate mediante analisi degli elementi finiti del campo elettromagnetico. La razionalità e la correttezza della progettazione del circuito magnetico e della modellazione degli elementi finiti sono verificate mediante simulazione statica del campo magnetico statico. Le caratteristiche dell'angolo di potenza, le prestazioni a vuoto e le prestazioni a pieno carico del motore vengono verificate mediante analisi di simulazione di campo transitoria. Vengono analizzate le origini delle perdite del motore e vengono calcolati i valori di perdita alle condizioni nominali per ottenere l'efficienza del motore. (3) In base alle condizioni di lavoro specifiche del compressore, è stata progettata una nuova configurazione di raffreddamento per evaporazione che combina il canale a spirale e il raffreddamento del refrigerante. Attraverso la ragionevole semplificazione e l'assunzione del modello geometrico e delle condizioni al contorno, il modulo di campo a temperatura costante viene utilizzato per analizzare la distribuzione della temperatura del motore e l'effetto di dissipazione del calore della struttura di raffreddamento viene preliminarmente verificato. Anche una configurazione di raffreddamento ad acqua è progettata e convalidata. (4) È stata verificata la resistenza della struttura del rotore in condizioni di alta velocità. Viene utilizzato uno schema di supporto del rotore basato su cuscinetti aerostatici e viene fornita la struttura meccanica complessiva del gruppo motore incluso il cuscinetto.