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

1、高速永磁發(fā)電機(jī)具有體積小、噪音低、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、功率密度大、傳動(dòng)系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)，已成為微型燃?xì)廨啓C(jī)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(jī)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(jī)已廣泛應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、礦山救助等領(lǐng)域;作為機(jī)械形式的不間斷電源（飛輪儲(chǔ)能）與化學(xué)儲(chǔ)能相比具有環(huán)境友好、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，可以廣泛應(yīng)用在航天、工業(yè)、通訊機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等領(lǐng)域。高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速高、功率密度大，同樣造成了電機(jī)單位

2、損耗相對(duì)較大，而且氣隙內(nèi)的高頻磁場(chǎng)將直接在護(hù)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(wèn)題，而且相同功率電機(jī)體積小，轉(zhuǎn)子散熱相對(duì)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(jī)的安全運(yùn)行，因此對(duì)于高速永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗準(zhǔn)確計(jì)算及降低轉(zhuǎn)子渦流損耗方面的研究具有重要意義。
　　針對(duì)定子背繞式繞組、轉(zhuǎn)子合金護(hù)套結(jié)構(gòu)的100kW級(jí)高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子渦流損耗開(kāi)展了深入的研究，基于三維時(shí)步有限元

3、計(jì)算方法，對(duì)高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗進(jìn)行了計(jì)算，深入研究了護(hù)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(jì)算模型，對(duì)高速永磁電機(jī)護(hù)套和永磁體內(nèi)的渦流損耗進(jìn)行了解析公式推導(dǎo)，并與三維有限元渦流損耗計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，突出體現(xiàn)了解析計(jì)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(shì);分別利用三維有限元計(jì)算與解析計(jì)算方法，分析了護(hù)套軸向分段和永磁體圓周方向分段對(duì)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(jī)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(jī)降低轉(zhuǎn)子渦流損耗的設(shè)計(jì)要求。
　　在降低轉(zhuǎn)子渦流損耗方面，針對(duì)于轉(zhuǎn)子護(hù)套自身材料電磁特性對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)的影響進(jìn)行了深入的研究;在給出護(hù)套材料電磁特性的基礎(chǔ)上，研究了護(hù)套材料的改變引起的電機(jī)電磁場(chǎng)、轉(zhuǎn)子表面渦流電密及損耗的變化情況;基于電磁場(chǎng)透入深度理論，提出了合金護(hù)套轉(zhuǎn)子表面鍍銅的方法，解決了高速永磁電機(jī)護(hù)套高渦流密度的問(wèn)題，并與現(xiàn)有的永磁電機(jī)銅屏蔽方法進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)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(shì)。
　　建立了永磁電機(jī)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(lái)確定永磁體勵(lì)磁邊界條件，采用向量磁位對(duì)不同磁導(dǎo)率護(hù)套的高速永磁發(fā)電機(jī)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了解析公式推導(dǎo);改變永磁電機(jī)護(hù)套采用非鐵磁材料的思維，創(chuàng)新提出弱磁性護(hù)套高速永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式，充分發(fā)揮了弱磁性護(hù)套減小主磁路磁阻，提升永磁體工作點(diǎn)，提高永磁體材料利用率的優(yōu)勢(shì)，探索研究了護(hù)套磁導(dǎo)率對(duì)發(fā)電機(jī)空載感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的影響，得出了護(hù)

6、套磁導(dǎo)率調(diào)磁特性曲線;對(duì)定子繞組磁動(dòng)勢(shì)進(jìn)行面電流等效，基于磁場(chǎng)疊加原理，對(duì)發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)氣隙及轉(zhuǎn)子護(hù)套內(nèi)的磁場(chǎng)進(jìn)行了解析計(jì)算，根據(jù)坡印亭能量流傳定理，求出了護(hù)套磁導(dǎo)率不同時(shí)，高速永磁發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子間能量流傳的大小;同時(shí)結(jié)合時(shí)步有限元計(jì)算方法，對(duì)比研究了護(hù)套材料磁導(dǎo)率的變化對(duì)電機(jī)磁場(chǎng)分布的影響，揭示了永磁體工作點(diǎn)隨護(hù)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(jī)主磁通、漏磁通、永磁體工作點(diǎn)間的相互影響關(guān)系，確定了護(hù)套磁導(dǎo)率的優(yōu)化策略，最

7、大限度發(fā)揮弱磁性護(hù)套的優(yōu)勢(shì);此外針對(duì)轉(zhuǎn)子護(hù)套電導(dǎo)率對(duì)轉(zhuǎn)子表面渦流損耗的影響進(jìn)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(hù)套電導(dǎo)率的雙因素非線性變化機(jī)理，獲取了轉(zhuǎn)子渦流損耗相對(duì)較大時(shí)，轉(zhuǎn)子護(hù)套電導(dǎo)率的取值范圍。
　　建立電機(jī)電磁場(chǎng)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(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)比研究三相橋式整流負(fù)載對(duì)電機(jī)電磁場(chǎng)的影響，結(jié)合傅里葉變換理論，對(duì)發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流的諧波進(jìn)行了分析，給出

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