高速永磁发电机转子涡流损耗优化及对温度分布影响的研究

摘要

高速永磁发电机具有体积小、噪音低、动态响应快、功率密度大、传动系统效率高等优点，已成为微型燃气轮机分布式供能系统的关键发电设备，满足微型燃气轮机发电系统朝着小型化和集成化方向发展的要求。作为便携电源的发电设备，高速永磁发电机已广泛应用在军事、医疗、矿山救助等领域;作为机械形式的不间断电源（飞轮储能）与化学储能相比具有环境友好、寿命长等优势，可以广泛应用在航天、工业、通讯机网络服务等领域。高速永磁电机转速高、功率密度大，同样造成了电机单位损耗相对较大，而且气隙内的高频磁场将直接在护套和永磁体内产生涡流，形成涡流损耗，增加了转子的温升;由于永磁体在高温环境下易出现热退磁问题，而且相同功率电机体积小，转子散热相对困难，转子内的涡流损耗将直接威胁高速永磁发电机的安全运行，因此对于高速永磁发电机转子涡流损耗准确计算及降低转子涡流损耗方面的研究具有重要意义。
　　针对定子背绕式绕组、转子合金护套结构的100kW级高速永磁电机的转子涡流损耗开展了深入的研究，基于三维时步有限元计算方法，对高速永磁电机转子涡流损耗进行了计算，深入研究了护套和永磁体内涡流电密的分布规律;建立了转子涡流损耗解析计算模型，对高速永磁电机护套和永磁体内的涡流损耗进行了解析公式推导，并与三维有限元涡流损耗计算结果进行了对比，突出体现了解析计算方法的快速性、通用性以及变量间影响关系明确的优势;分别利用三维有限元计算与解析计算方法，分析了护套轴向分段和永磁体圆周方向分段对转子涡流损耗的影响关系，揭示了转子分段在减小转子涡流损耗方面的作用机理，并提出了转子永磁体分段数量确定的依据与准则，满足高速永磁电机降低转子涡流损耗的设计要求。
　　在降低转子涡流损耗方面，针对于转子护套自身材料电磁特性对电机电磁场的影响进行了深入的研究;在给出护套材料电磁特性的基础上，研究了护套材料的改变引起的电机电磁场、转子表面涡流电密及损耗的变化情况;基于电磁场透入深度理论，提出了合金护套转子表面镀铜的方法，解决了高速永磁电机护套高涡流密度的问题，并与现有的永磁电机铜屏蔽方法进行了对比，验证了转子表面镀铜在降低转子涡流损耗方面的优势。
　　建立了永磁电机等效磁路模型，提出了永磁体漏磁系数迭代收敛的方法来确定永磁体励磁边界条件，采用向量磁位对不同磁导率护套的高速永磁发电机空载感应电动势进行了解析公式推导;改变永磁电机护套采用非铁磁材料的思维，创新提出弱磁性护套高速永磁电机的结构形式，充分发挥了弱磁性护套减小主磁路磁阻，提升永磁体工作点，提高永磁体材料利用率的优势，探索研究了护套磁导率对发电机空载感应电动势的影响，得出了护套磁导率调磁特性曲线;对定子绕组磁动势进行面电流等效，基于磁场叠加原理，对发电机负载运行时气隙及转子护套内的磁场进行了解析计算，根据坡印亭能量流传定理，求出了护套磁导率不同时，高速永磁发电机定转子间能量流传的大小;同时结合时步有限元计算方法，对比研究了护套材料磁导率的变化对电机磁场分布的影响，揭示了永磁体工作点随护套磁导率的变化规律，全面系统地分析了高速永磁电机主磁通、漏磁通、永磁体工作点间的相互影响关系，确定了护套磁导率的优化策略，最大限度发挥弱磁性护套的优势;此外针对转子护套电导率对转子表面涡流损耗的影响进行了研究，综合谐波透入深度理论、涡流损耗影响因素，深入阐述了转子表面涡流损耗随护套电导率的双因素非线性变化机理，获取了转子涡流损耗相对较大时，转子护套电导率的取值范围。
　　建立电机电磁场与整流负载一体化仿真模型，构建整流负载高速永磁发电机试验系统，对比研究三相桥式整流负载对电机电磁场的影响，结合傅里叶变换理论，对发电机输出电压和电流的谐波进行了分析，给出了发电机整流负载运行时电流的各次谐波占有率和电流谐波总畸变率;然后分别计算了发电机电阻性负载和整流负载运行时，电机转子部分涡流损耗的变化，并对损耗变化的机理进行了研究;此外对比分析了这两种负载状态下发电机输出电压的变化情况，通过对非线性负载功率因数的计算，揭示了发电机输出电压变化的机理。
　　建立了高速永磁发电机的三维流体与温度耦合计算模型，在电磁场损耗计算的基础上，对发电机转子护套材料、转子复合结构、护套电磁特性、负载性质对电机内温度场的影响进行了研究，对比分析了不同转子结构电机内定转子温升变化情况，并给出了不同转子结构下转子永磁体温度的分布，对防止高速永磁电机永磁体热退磁具有重要的意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及研究的目的和意义

1．2 国内外研究现状及分析

1．2．1 高速永磁电机国外研究现状

1．2．2 高速永磁电机国内研究现状

1．3 高速永磁电机损耗研究方法及相关理论发展

1．4 本文研究的主要内容

第2章 高速永磁电机转子涡流损耗机理研究及涡流电密的三维分布规律

2．1 高速永磁同步发电机三维瞬态电磁场有限元模型的建立

2．2 高速永磁电机转子表面涡流损耗机理研究

2．2．1 转子涡流损耗产生的原因

2．2．2 高速永磁电机转子涡流路径的研究

2．3 高速永磁电机转子涡流损耗的解析计算

2．3．1 解析模型的建立与基本理论

2．3．2 旋转坐标系下谐波磁场行波电流片的等效计算

2．3．3 高速永磁电机涡流损耗计算及结果分析

2．4 转子分段对高速永磁电机涡流损耗的影响研究

2．4．1 护套轴向分段转子涡流损耗分布研究

2．4．2 永磁体圆周方向分段涡流损耗的解析与数值计算

2．5 定子斜槽引起气隙磁密及转子涡流损耗变化

2．6 本章小结

第3章 转子护套材料及复合结构对电机电磁场及涡流损耗的影响研究

3．1 转子护套材料和复合结构的应用及研究现状

3．1．1 不同转子护套材料特性及其应用

3．1．2 转子复合结构的应用与研究

3．2 转子护套材料对电机输出电压及损耗的影响研究

3．2．1 转子护套材料对高速永磁发电机输出电压的影响

3．2．2 转子护套材料对电机损耗分布的影响

3．3 转子复合结构对高速永磁电机损耗的影响研究

3．3．1 转子表面镀铜对电机损耗分布的影响研究

3．3．2 铜屏蔽在降低转子涡流损耗方面的作用研究

3．4 本章小结

第4章 高速电机转子护套电磁特性对气隙磁场及能量流传的影响

4．1 高速永磁电机气隙磁场与空载感应电动势的解析计算

4．1．1 高速永磁电机通用解析计算模型的建立

4．1．2 永磁体表面磁场的迭代收敛计算

4．1．3 高速永磁电机麦克斯韦方程组求解

4．1．4 高速永磁发电机气隙磁场求解与空载感应电动势计算

4．2 高速永磁电机定转子间能量流传研究

4．2．1 电枢反应对电机磁场的影响

4．2．2 高速永磁发电机电磁场叠加及坡印亭能量流传计算

4．2．3 永磁体工作点的计算分析

4．3 转子护套磁导率对高速永磁发电机输出电压及损耗的影响研究

4．3．1 发电机输出电压随护套磁导率的变化规律

4．3．2 高速永磁发电机损耗随护套磁导率的变化规律

4．4 转子护套电导率对高速永磁发电机损耗的影响研究

4．5 本章小结

第5章 三相桥式整流负载与高速永磁发电机联合分析研究

5．1 高速永磁发电机整流负载运行研究的重要性

5．2 整流负载对高速永磁发电机输出电压及涡流损耗的影响

5．2．1 高速永磁发电机整流负载运行一体化模型的建立

5．2．2 整流负载运行电机输出电压电流谐波变化规律

5．2．3 整流负载运行引起的谐波磁场对转子涡流损耗分布的影响

5．3 三相桥式整流对发电机负载功率因数的影响研究

5．3．1 非线性负载功率因数的计算

5．3．2 高速永磁发电机输出电压的计算分析

5．4 滤波电容对发电机谐波及损耗的影响研究

5．5 永磁体充磁方式对整流负载发电机气隙磁场及损耗的影响

5．5．1 不同永磁体充磁方式气隙磁密的变化

5．5．2 整流负载发电机输出电压电流的计算

5．5．3 整流负载发电机损耗的计算分析

5．6 高速永磁发电机试验研究

5．6．1 试验设备和平台

5．6．2 试验结果与分析

5．7 本章小结

第6章 密闭油冷高速永磁同步发电机温度分布及相关影响因素研究

6．1 高速永磁发电机三维流体与温度耦合模型的建立

6．2 转子护套材料及电磁特性对电机温度场的影晌

6．2．1 护套材料不同时电机内温度分布

6．2．2 护套电导率不同时电机温度场的计算

6．2．3 护套磁导率不同时电机温度场的计算

6．3 转子复合结构对电机温度分布的影响研究

6．4 三相桥式整流负载运行时电机温度分布规律研究

6．4．1 不同负载形式下电机内温度分布

6．4．2 滤波电容及充磁方式对电机温度场的影响

6．5 本章小结

创新点与结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢