永磁-感应子式混合励磁发电机电磁场计算及运行特性分析

摘要

永磁发电机具有结构简单、运行可靠、无励磁损耗等优点，但输出电压随负载或转速的波动较大的不足限制了它的进一步应用。混合励磁发电机兼顾了永磁发电机体积小、效率高的特点，又具有电励磁发电机输出电压可调的特性，近年来发展较快。永磁-感应子式混合励磁发电机的结构简单、永磁磁路与电励磁磁路相互独立、无电刷和滑环装置，该电机具有较好的应用前景。但是，永磁-感应子式混合励磁发电机的磁路结构复杂，电机的设计和计算有其特殊性，目前对该电机的研究较少，还没有形成体系。本文以永磁-感应子式混合励磁发电机为对象，对该电机的电磁场计算、电感参数计算与分析、运行特性分析、损耗及温度场计算与分析等问题进行了深入的研究。
　　分别采用二维和三维有限元法对发电机永磁部分和感应子部分的电磁场进行了计算，揭示了两部分磁场的分布规律。针对三维电磁场计算量大的问题，建立了感应子部分的二维等效模型，分析了转子齿槽尺寸对气隙磁场的影响。研究结果表明，通过对电机转子齿槽形状的优化，可以改善感应子部分的气隙磁密波形，有效提高发电机的电压调节范围。采用三维有限元法对发电机永磁部分和感应子部分的磁场耦合进行了计算与分析，研究指出两部分间的磁路耦合很小，可以将两部分分开进行分析与计算。
　　采用有限元法计算了发电机的绕组电感，分析了绕组电流、励磁电流及电机结构参数对绕组电感的影响。研究结果表明，在一个电周期内，当绕组电流较小时，发电机的绕组自感呈2次波动；当绕组电流较大时，绕组自感呈1次波动。当励磁电流为零以及励磁电流起增磁作用时，发电机的绕组自感与普通表贴式永磁电机的绕组电感变化规律基本一致；当励磁电流起去磁作用时，随着绕组电流的增加，发电机的绕组自感随着转子位置波动的幅度减小。基于绕组电感的计算，建立了考虑绕组电感时变的发电机外特性的电路仿真计算模型，计算了不同运行状态下发电机的外特性。计算与实验结果表明，该方法既可以显著地缩短仿真计算时间，又可以有效地提高发电机外特性的计算精度。分析了发电机感应子部分轴向长度对发电机外特性的影响，得出了发电机感应子部分轴向长度的最优值，为发电机外特性的改善提供了指导。
　　计算并分析了发电机的损耗。在发电机感应子部分的铁心损耗计算中，考虑了直流偏磁对电机感应子部分铁心损耗的影响。分别计算了发电机带整流负载和三相对称负载时的绕组铜耗，计算结果表明，输出功率相同时，带整流负载时的铜耗大于带三相对称负载时的铜耗。对发电机转子的涡流损耗进行了有限元计算，分析了涡流损耗的影响因素。采用解析方法和流体场有限元法计算了发电机转子的摩擦损耗，计算结果表明开槽后转子的摩擦损耗大幅增加。实验验证了损耗计算结果的正确性。
　　采用三维有限元法对发电机的温度场进行了计算，分析了励磁电流、电机转速以及负载类型对电机温度场的影响。研究结果表明，电机结构的特殊性导致发电机的温度场沿轴向方向的变化梯度较大，带整流负载时发电机的稳定温升高于带三相对称负载时的情况。样机的温升实验验证了发电机温度场计算结果的正确性。

目录

永磁-感应子式混合励磁发电机电磁场计算及运行特性分析

Electromagnetic Field Computation and Operating Characteristic Analysis for a Permanent Magnet-Inductor Hybrid Excitation Generator

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 混合励磁发电机的基本结构

1.2.1 爪极结构混合励磁发电机

1.2.2 磁极分割结构混合励磁发电机

1.2.3 双凸极结构混合励磁发电机

1.2.4 永磁-感应子式混合励磁发电机

1.3 永磁-感应子式混合励磁发电机的关键问题

1.3.1 永磁-感应子式混合励磁发电机的电磁场计算与分析

1.3.2 永磁-感应子式混合励磁发电机的电感参数计算与分析

1.3.3 永磁-感应子式混合励磁发电机外特性的研究

1.3.4 永磁-感应子式混合励磁发电机损耗的研究

1.3.5 永磁-感应子式混合励磁发电机温度场的研究

1.4 本文的主要研究内容

第2 章永磁-感应子式混合励磁发电机的电磁场计算

2.1 引言

2.2 永磁-感应子式混合励磁发电机的结构及电磁设计

2.2.1 永磁-感应子式混合励磁发电机的结构设计

2.2.2 永磁-感应子式混合励磁发电机的电磁设计及研制

2.3 发电机永磁部分的电磁场计算

2.4 发电机感应子部分的电磁场计算与分析

2.4.1 感应子部分的磁场计算

2.4.2 转子齿槽尺寸对气隙磁场的影响

2.4.3 感应子部分的空载特性

2.5 永磁部分与感应子部分的磁场耦合分析

2.5.1 励磁电流为零时电机内的电磁场

2.5.2 增磁和去磁时电机内的电磁场

2.5.3 发电机的空载特性

2.6 发电机空载反电势的实验

2.6.1 实验装置

2.6.2 空载反电势的测量结果

2.7 本章小结

第3 章永磁-感应子式混合励磁发电机的外特性研究

3.1 引言

3.2 永磁-感应子式混合励磁发电机外特性的计算方法

3.3 永磁-感应子式混合励磁发电机绕组电感的计算

3.3.1 发电机绕组电感的特点及其计算方法

3.3.2 永磁部分绕组电感的计算与分析

3.3.3 感应子部分绕组电感的计算与分析

3.3.4 发电机绕组合成电感的计算与分析

3.3.5 电机结构参数对绕组合成电感的影响

3.4 永磁-感应子式混合励磁发电机外特性的仿真计算与分析

3.4.1 发电机外特性的仿真计算模型

3.4.2 发电机外特性的仿真计算结果

3.4.3 结构参数对发电机外特性的影响

3.5 永磁-感应子式混合励磁发电机外特性的实验研究

3.5.1 实验平台

3.5.2 实验结果与分析

3.6 本章小结

第4 章永磁-感应子式混合励磁发电机的损耗计算

4.1 引言

4.2 永磁-感应子式混合励磁发电机铁心损耗的计算与分析

4.2.1 永磁部分铁心损耗的计算与分析

4.2.2 感应子部分铁心损耗的计算与分析

4.3 永磁-感应子式混合励磁发电机绕组铜耗的计算与分析

4.4 永磁-感应子式混合励磁发电机转子涡流损耗的计算与分析

4.4.1 永磁部分转子涡流损耗的计算与分析

4.4.2 感应子部分转子涡流损耗的计算与分析

4.5 永磁-感应子式混合励磁发电机转子摩擦损耗的计算与分析

4.5.1 光滑转子表面的摩擦损耗

4.5.2 齿槽形转子表面的摩擦损耗

4.5.3 齿槽形转子摩擦损耗的影响因素分析

4.6 永磁-感应子式混合励磁发电机的损耗实验

4.6.1 定子铁心损耗实验

4.6.2 电枢电流测试及绕组铜耗计算

4.6.3 转子摩擦损耗实验

4.7 本章小结

第5 章永磁-感应子式混合励磁发电机的温度场计算

5.1 引言

5.2 永磁-感应子式混合励磁发电机三维暂态温度场的求解模型

5.2.1 求解区域及边界条件

5.2.2 导热系数及散热系数的确定

5.2.3 热源的确定

5.3 永磁-感应子式混合励磁发电机温度场的数值计算与分析

5.3.1 励磁电流对电机温度场的影响

5.3.2 电机转速对电机温度场的影响

5.3.3 负载时电机温度场的数值计算

5.3.4 负载类型对电机温度场的影响

5.4 永磁-感应子式混合励磁发电机的温升实验

5.4.1 空载运行时的温升实验

5.4.2 带整流负载运行时的温升实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致谢

个人简历