高速永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子渦流損耗優(yōu)化及對溫度分布影響的研究.pdf

1、高速永磁發(fā)電機具有體積小、噪音低、動態(tài)響應(yīng)快、功率密度大、傳動系統(tǒng)效率高等優(yōu)點，已成為微型燃?xì)廨啓C分布式供能系統(tǒng)的關(guān)鍵發(fā)電設(shè)備，滿足微型燃?xì)廨啓C發(fā)電系統(tǒng)朝著小型化和集成化方向發(fā)展的要求。作為便攜電源的發(fā)電設(shè)備，高速永磁發(fā)電機已廣泛應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、礦山救助等領(lǐng)域;作為機械形式的不間斷電源（飛輪儲能）與化學(xué)儲能相比具有環(huán)境友好、壽命長等優(yōu)勢，可以廣泛應(yīng)用在航天、工業(yè)、通訊機網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等領(lǐng)域。高速永磁電機轉(zhuǎn)速高、功率密度大，同樣造成了電機單位

2、損耗相對較大，而且氣隙內(nèi)的高頻磁場將直接在護套和永磁體內(nèi)產(chǎn)生渦流，形成渦流損耗，增加了轉(zhuǎn)子的溫升;由于永磁體在高溫環(huán)境下易出現(xiàn)熱退磁問題，而且相同功率電機體積小，轉(zhuǎn)子散熱相對困難，轉(zhuǎn)子內(nèi)的渦流損耗將直接威脅高速永磁發(fā)電機的安全運行，因此對于高速永磁發(fā)電機轉(zhuǎn)子渦流損耗準(zhǔn)確計算及降低轉(zhuǎn)子渦流損耗方面的研究具有重要意義。
　　針對定子背繞式繞組、轉(zhuǎn)子合金護套結(jié)構(gòu)的100kW級高速永磁電機的轉(zhuǎn)子渦流損耗開展了深入的研究，基于三維時步有限元

3、計算方法，對高速永磁電機轉(zhuǎn)子渦流損耗進行了計算，深入研究了護套和永磁體內(nèi)渦流電密的分布規(guī)律;建立了轉(zhuǎn)子渦流損耗解析計算模型，對高速永磁電機護套和永磁體內(nèi)的渦流損耗進行了解析公式推導(dǎo)，并與三維有限元渦流損耗計算結(jié)果進行了對比，突出體現(xiàn)了解析計算方法的快速性、通用性以及變量間影響關(guān)系明確的優(yōu)勢;分別利用三維有限元計算與解析計算方法，分析了護套軸向分段和永磁體圓周方向分段對轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響關(guān)系，揭示了轉(zhuǎn)子分段在減小轉(zhuǎn)子渦流損耗方面的作用機理

4、，并提出了轉(zhuǎn)子永磁體分段數(shù)量確定的依據(jù)與準(zhǔn)則，滿足高速永磁電機降低轉(zhuǎn)子渦流損耗的設(shè)計要求。
　　在降低轉(zhuǎn)子渦流損耗方面，針對于轉(zhuǎn)子護套自身材料電磁特性對電機電磁場的影響進行了深入的研究;在給出護套材料電磁特性的基礎(chǔ)上，研究了護套材料的改變引起的電機電磁場、轉(zhuǎn)子表面渦流電密及損耗的變化情況;基于電磁場透入深度理論，提出了合金護套轉(zhuǎn)子表面鍍銅的方法，解決了高速永磁電機護套高渦流密度的問題，并與現(xiàn)有的永磁電機銅屏蔽方法進行了對比，驗證了

5、轉(zhuǎn)子表面鍍銅在降低轉(zhuǎn)子渦流損耗方面的優(yōu)勢。
　　建立了永磁電機等效磁路模型，提出了永磁體漏磁系數(shù)迭代收斂的方法來確定永磁體勵磁邊界條件，采用向量磁位對不同磁導(dǎo)率護套的高速永磁發(fā)電機空載感應(yīng)電動勢進行了解析公式推導(dǎo);改變永磁電機護套采用非鐵磁材料的思維，創(chuàng)新提出弱磁性護套高速永磁電機的結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)揮了弱磁性護套減小主磁路磁阻，提升永磁體工作點，提高永磁體材料利用率的優(yōu)勢，探索研究了護套磁導(dǎo)率對發(fā)電機空載感應(yīng)電動勢的影響，得出了護

6、套磁導(dǎo)率調(diào)磁特性曲線;對定子繞組磁動勢進行面電流等效，基于磁場疊加原理，對發(fā)電機負(fù)載運行時氣隙及轉(zhuǎn)子護套內(nèi)的磁場進行了解析計算，根據(jù)坡印亭能量流傳定理，求出了護套磁導(dǎo)率不同時，高速永磁發(fā)電機定轉(zhuǎn)子間能量流傳的大小;同時結(jié)合時步有限元計算方法，對比研究了護套材料磁導(dǎo)率的變化對電機磁場分布的影響，揭示了永磁體工作點隨護套磁導(dǎo)率的變化規(guī)律，全面系統(tǒng)地分析了高速永磁電機主磁通、漏磁通、永磁體工作點間的相互影響關(guān)系，確定了護套磁導(dǎo)率的優(yōu)化策略，最

7、大限度發(fā)揮弱磁性護套的優(yōu)勢;此外針對轉(zhuǎn)子護套電導(dǎo)率對轉(zhuǎn)子表面渦流損耗的影響進行了研究，綜合諧波透入深度理論、渦流損耗影響因素，深入闡述了轉(zhuǎn)子表面渦流損耗隨護套電導(dǎo)率的雙因素非線性變化機理，獲取了轉(zhuǎn)子渦流損耗相對較大時，轉(zhuǎn)子護套電導(dǎo)率的取值范圍。
　　建立電機電磁場與整流負(fù)載一體化仿真模型，構(gòu)建整流負(fù)載高速永磁發(fā)電機試驗系統(tǒng)，對比研究三相橋式整流負(fù)載對電機電磁場的影響，結(jié)合傅里葉變換理論，對發(fā)電機輸出電壓和電流的諧波進行了分析，給出

8、了發(fā)電機整流負(fù)載運行時電流的各次諧波占有率和電流諧波總畸變率;然后分別計算了發(fā)電機電阻性負(fù)載和整流負(fù)載運行時，電機轉(zhuǎn)子部分渦流損耗的變化，并對損耗變化的機理進行了研究;此外對比分析了這兩種負(fù)載狀態(tài)下發(fā)電機輸出電壓的變化情況，通過對非線性負(fù)載功率因數(shù)的計算，揭示了發(fā)電機輸出電壓變化的機理。
　　建立了高速永磁發(fā)電機的三維流體與溫度耦合計算模型，在電磁場損耗計算的基礎(chǔ)上，對發(fā)電機轉(zhuǎn)子護套材料、轉(zhuǎn)子復(fù)合結(jié)構(gòu)、護套電磁特性、負(fù)載性質(zhì)對電機