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脉冲发电机拖动用背绕式绕组高速永磁同步电机研究

万援  
【摘要】:脉冲发电机被认为是未来极具潜力的实战化电磁武器的脉冲电源,拖动电机作为系统关键部件,对实现电源小型化进而向实战化应用的发展起决定性作用。脉冲发电机系统要求拖动电机具有扁平结构、耐冲击、高功率密度的特性,使常规高速电机不能满足需求。为提升脉冲发电机和拖动电机一体集成化结构的功率密度,并考虑高速轴系的动力学特性,拖动电机应设计成扁平结构。扁平结构高速永磁电机在结构设计、提高功率密度、转子强度等方面存在很大的挑战。本文对扁平结构高速永磁同步电机的机械限制及适用的绕组结构问题进行了研究,给出了背绕式绕组扁平高速永磁同步电机的拖动方案,避开叠绕组的绕组端部长度大、集中绕组存在转子涡流损耗大的问题。基于二维电磁场有限元分析方法,研究了影响功率密度的材料选择及参数设计问题,采用比铁损低的铁芯材料有利于提高功率密度;对背绕式绕组电机的定子铁芯进行分层,并采用轻质不导磁的定子外圈材料,可提高功率密度;采用低电导率护套材料、降低槽口宽度、增加气隙长度等方法,有效降低了转子涡流损耗密度,进而提高了电机功率密度。研究了极弧系数、永磁体充磁方向对电流及转矩波动等性能的影响。电机损耗发热是限制其高功率密度的主要因素,为提高拖动电机的功率密度和了解电机温度场分布,对背绕式绕组电机的损耗进行了分析,并研究了关键损耗的降低方法。建立了背绕式绕组高频交流损耗的有限元分析模型,分析了定子铁芯外圈槽内漏磁场对绕组交流损耗影响,得出绕组的高频交流损耗问题十分严重,绕组有效部分损耗占电机铜耗的比重较低。为此,提出了定子分层结构并采用不导磁的定子外圈材料及增加绕组并绕根数的方法降低定子损耗。为考虑转子涡流沿轴向分布不均匀的影响,采用了三维有限元分析方法对转子涡流损耗进行计算,得出护套涡流损耗占转子涡流损耗的比重较高,金属磁极间隔中感应出较大涡流损耗。研究了复合结构护套、永磁体圆周及轴向分段、改变磁极间隔材料及结构的技术降低转子涡流损耗。进一步分析了局部损耗降低方法对电机总损耗的影响及逆变器的开关频率对电机损耗的影响。扁平结构高速永磁同步电机采用背绕式绕组时,由于定子轭外圈开槽使定子与水套的接触面积大大下降,使传统水冷效果下降,且较厚的转子护套增加了转子散热难度,为保证电机的可靠运行,研究了适用于该结构电机的冷却方案。建立了电机采用传统机壳水冷结合转子强迫风冷结构的CFD分析模型,通过电磁场、流体场、温度场的多场耦合分析方法,从电机结构、加工工艺以及驱动方式的角度分析了温度场的影响因素,针对气隙作为冷却风道时的风阻大、匹配风机体积及噪声大问题,以及接触热阻大带来的温升高问题,研究了改进风冷结构、填充导热胶以及内水路结构等优化措施;最终,提出了内水路结合内圈槽口轴向通风的冷却结构,由于水路各壁面均与热源接触,故具有较好的冷却效果。能有效降低电机温升及系统噪声,并提升功率密度。拖动电机的高速永磁转子由于受到放电冲击力、高速旋转离心力以及转子发热产生的热应力的综合作用,其强度问题非常突出。基于弹性力学基本理论,建立了放电冲击时转子强度解析模型,对转子应力进行分析,得出放电冲击会引起转子部件间发生脱层而损坏转子,增加接触面上的接触应力能提高转子的抗冲击能力;并分析了放电冲击对转轴的影响,为保证转轴的安全,其最大剪应力、相对扭转角应在许用范围之内。建立了离心力、热应力作用下,转子强度的二维有限元分析模型,研究了与转子强度相关的参数设计及选择问题,得出增加过盈量和护套厚度、减小转子外径以及转子发热可以增加转子部件间的接触应力,进而提高转子的抗冲击能力。此外,针对实际转子的磁极间隔、永磁体受离心力、热应力作用产生的应变不同,导致碳纤维护套弯曲应力的产生,进而威胁转子安全问题,建立了转子三维应力场有限元分析模型,对转子强度进行了分析,并通过改变磁极间隔材料的方法提高转子强度。设计并制造了模型缩比样机,通过实验样机的高速测试,以及电磁、温升的仿真与测试结果的对比,验证了设计与计算模型的正确性以及所提出的结构和工艺的有效性与可行性。


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