风冷式高速磁悬浮永磁同步电机多场耦合与传热特性研究

doi:10.3901/JME.260412

机械工程学报 ›› 2026, Vol. 62 ›› Issue (9): 145-154.doi: 10.3901/JME.260412

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风冷式高速磁悬浮永磁同步电机多场耦合与传热特性研究

徐园平, 郑安, 周瑾, 金超武, 凌阳熠, 李亚宁

南京航空航天大学机电学院南京 210016

收稿日期:2025-07-08 修回日期:2025-09-06 发布日期:2026-07-08
作者简介:徐园平，男，1989年出生，博士，副教授，博士研究生导师。主要研究方向为磁悬浮技术、智能传感与驱动、转子动力学。E-mail：ypxu@nuaa.edu.cn;郑安，男，2000年出生，硕士研究生。主要研究方向为磁悬浮永磁同步电机。E-mail：1245689970@qq.com;周瑾(通信作者)，女，1972年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为磁悬浮技术、转子动力学、机电系统控制。E-mail：zhj@nuaa.edu.cn;金超武，男，1980年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为磁悬浮技术、机电一体化和振动控制。E-mail：jinchaowu@nuaa.edu.cn;凌阳熠，男，1999年出生，博士研究生。主要研究方向为磁悬浮永磁同步电机。E-mail：yyling@nuaa.edu.cn;李亚宁，男，1999年出生，博士研究生。主要研究方向为传动系统及转子动力学。E-mail：liyaning@nuaa.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划(2024YFB3410003)和国家自然科学基金(52475060)资助项目。

Research on Multi-field Coupling and Heat Transfer Characteristics of Air-cooled High Speed Magnetically Suspended Permanent Magnet Synchronous Motor

XU Yuanping, ZHENG An, ZHOU Jin, JIN Chaowu, LING Yangyi, LI Yaning

College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016

Received:2025-07-08 Revised:2025-09-06 Published:2026-07-08

摘要/Abstract

摘要： 磁悬浮永磁同步电机发热部件多、结构复杂且存在磁悬浮轴承与电机之间传热耦合的问题。为研究系统的多场耦合与传热特性，以一台风冷式高速磁悬浮永磁同步电机为研究对象，通过建立磁悬浮轴承和电机的电磁及风摩损耗模型，并将计算结果作为热源映射到热-流场模型中进行数值求解，再将所得稳态温度作为边界条件再次求解电磁损耗，以此迭代分析，最终构建了考虑磁悬浮轴承发热的双向磁-热-流场耦合分析模型，得到了冷却空气的流动特性和系统的稳态温度分布，并探究了温度对电磁损耗、风量对部件稳态温度的影响规律。最后搭建了样机试验平台，结果表明冷却入口静压的计算与实验相对误差为3.4%，而稳态温度的计算与实验绝对误差不超过8.5 ℃，验证了所提计算模型的有效性和准确性。所作研究为磁悬浮永磁同步电机的冷却设计、温升预测提供理论参考。

关键词: 磁悬浮永磁同步电机, 温升特性, 多场耦合, 磁悬浮轴承

Abstract: Magnetically suspended permanent magnet synchronous motor(MSPMSM) has many hot parts, complex structure and the problem of heat transfer coupling between magnetic bearings and motor. In order to accurately analyze the multi-field coupling and heat transfer characteristics of the system, an air-cooled high-speed MSPMSM is taken as the research object. The electromagnetic and wind-friction loss models of magnetic bearings and motor are established, and the calculated results are mapped as heat sources into the thermal-flow field model for numerical solution, and then the obtained steady-state temperature is used as the boundary condition to compute the electromagnetic losses again. Based on this, a bidirectional magnetic-thermal-flow field coupling analysis model considering the heating of magnetic bearings is established. The flow characteristics of cooling air and the steady-state temperature distribution of the system are obtained. Besides, the effect of the temperature rise on the electromagnetic loss and the effects of different cooling air volume on steady-state temperature are explored. In order to verify the validity and accuracy of the proposed model, a prototype test platform is set up. The results show that the error of the inlet static pressure is 3.4%, and the error between the calculation and experiment of the steady-state temperature is less than 8.5 ℃. This research provides theoretical support for the cooling design and temperature rise prediction of MSPMSM.

Key words: magnetically suspended permanent magnet synchronous motor, temperature rise characteristic, multi-physics coupling, magnetic bearings

中图分类号:

TM351

徐园平, 郑安, 周瑾, 金超武, 凌阳熠, 李亚宁. 风冷式高速磁悬浮永磁同步电机多场耦合与传热特性研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(9): 145-154.

XU Yuanping, ZHENG An, ZHOU Jin, JIN Chaowu, LING Yangyi, LI Yaning. Research on Multi-field Coupling and Heat Transfer Characteristics of Air-cooled High Speed Magnetically Suspended Permanent Magnet Synchronous Motor[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2026, 62(9): 145-154.

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风冷式高速磁悬浮永磁同步电机多场耦合与传热特性研究

Research on Multi-field Coupling and Heat Transfer Characteristics of Air-cooled High Speed Magnetically Suspended Permanent Magnet Synchronous Motor

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