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高速永磁电机的机械和电磁特性研究

王继强  
【摘要】: 本课题是国家自然科学基金重点资助项目“微型燃气轮机—高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”(50437010)的部分研究内容。高速电机的体积小、功率密度大和效率高,正在成为电机领域的研究热点之一。高速电机的主要特点有两个:一是转子的高速旋转,二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率,由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。本文针对高速永磁电机的机械与电磁特性及其关键技术进行了深入地研究,主要包括以下内容: 首先,进行了高速永磁电机转子的结构设计与强度分析。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点,提出了一种采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套的新型转子结构。永磁体与护套之间采用过盈配合,用护套对永磁体施加的静态预压力抵消高速旋转离心力产生的拉应力,使永磁体高速旋转时仍承受一定的压应力,从而保证永磁转子的安全运行。基于弹性力学厚壁筒理论与有限元接触理论,建立了新型高速永磁转子应力计算模型,确定了护套和永磁体之间的过盈量,计算了永磁体和护套中的应力分布。该种转子结构和强度计算方法已应用于高速永磁电机的样机设计。 其次,进行了高速永磁转子的刚度分析和磁力轴承—转子系统的临界转速计算。基于电磁场理论分析了磁力轴承支承的各向同性,利用气隙静态偏置磁通密度计算了磁力轴承的线性支承刚度,在对高速电机转子结构离散化的基础上建立了磁力轴承—转子系统的动力学方程,采用有限元法计算了高速永磁电机转子的临界转速。利用该计算方法设计的1台采用磁力轴承的高速电机,已成功实现60000r/min的运行。 再次,进行了高速永磁电机的定子设计,提出了一种新型环形绕组结构。环型绕组线圈的下层边放在定子铁心的6个槽中,而上层边分布在定子铁心轭部外缘的24个槽中,不但增加了定子表面的通风散热面积,使冷却气流直接冷却定子绕组,更为重要的是,解决了传统2极电机绕组端部轴向过长的难题,使转子轴向长度大为缩短,从而增加了高速永磁电机转子系统的刚度。 然后,采用场路耦合以及解析与实验相结合的方法,分析计算了高速永磁电机的损耗和温升,并对高速永磁发电机的电磁特性进行了仿真。高速电机的优点是体积小和功率密度大,然而随之而来的缺点是单位体积的损耗大,以及因散热面积小造成的散热困难。损耗和温升的准确计算对高速电机的安全运行至关重要。为了准确计算高速电机的高频铁耗,对定子铁心所采用的各向异性冷轧电工钢片制作的试件,进行了不同频率和不同轧制方向的导磁性能和损耗系数测定。然后采用场路耦合的方法,分析计算了高速电机的定子铁耗和铜耗、转子护套和永磁体内的高频附加损耗以及转子表面的风磨损耗。在损耗分析的基础上,计算了高速电机的温升。 最后,设计制造了一台额定转速为60000r/min的高速永磁电机试验样机,并进行了初步的试验研究。测量了电机在不同转速下空载运行时的定、转子温升及定子绕组的反电动势波形。通过与仿真结果的对比,部分验证了高速永磁电机理论分析和设计方法的正确性。在此基础上,提出一种高速永磁电机的改进设计方案,为进一步的研究工作打下了基础。


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