高速永磁同步發(fā)電機電磁與結(jié)構(gòu)特性分析

高速永磁同步發(fā)電機電磁與結(jié)構(gòu)特性分析

0高速電機的設(shè)計特點由于高旋轉(zhuǎn)和高功率密度，高速電機的幾何尺寸遠小于相同功率的中低速電機，成為電機領(lǐng)域的研究熱點，其應(yīng)用也越來越廣泛。如高速床、高速方向盤儲存系統(tǒng)、天然氣輸送和污水處理、高速離心分離器和鼓風(fēng)機。近來，用于分布式供電系統(tǒng)的微型燃氣輪機驅(qū)動高速發(fā)電機越來越受到人們的關(guān)注。永磁電機由于其結(jié)構(gòu)簡單、力能密度高和無勵磁損耗等優(yōu)點，最適合用于高速電機。高速電機的主要特點有2個：(1)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高達每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)甚至十幾萬轉(zhuǎn)，圓周速度可達200m/s以上；(2)定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率，一般在1000Hz以上。這些特點決定了高速電機的設(shè)計與傳統(tǒng)電機設(shè)計有所不同?；诖怕贩治龅膫鹘y(tǒng)設(shè)計方法難以滿足高速電機的設(shè)計要求，利用場路耦合方法可以準確地分析電機內(nèi)的電磁場；而有限元方法也越來越廣泛的用于電機內(nèi)的溫度場計算。本文對一臺微型燃氣輪機驅(qū)動用于分布式供電系統(tǒng)的60000r/min、75kW的高速永磁發(fā)電機進行了結(jié)構(gòu)設(shè)計，然后基于場路耦合方法，分析高速永磁電機空載和負載特性，計算了電機的電磁與機械損耗，最后利用有限元法計算了高速電機內(nèi)的溫度場分布。1高速永機定旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)1.1磁電機及永磁轉(zhuǎn)子高速電機一般采用2極或4極結(jié)構(gòu)。2極電機便于永磁體采用整體結(jié)構(gòu)，以保證永磁轉(zhuǎn)子機械和電磁性能的對稱性；同時在相同速度下2極電機定子鐵心磁場和繞組電流的頻率僅為4極電機的一半，減少極數(shù)有利于減小電機的鐵耗和銅耗。從電磁和機械兩個方面綜合考慮，特別是從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計來看，采用2極方案比較有利，因此本設(shè)計中高速永磁電機采用2極結(jié)構(gòu)。高速永磁電機的額定轉(zhuǎn)速為60000r/min，轉(zhuǎn)子表面線速度達到200m/s。永磁轉(zhuǎn)子選用燒結(jié)釹鐵硼，是一種類似于粉末冶金的永磁材料，能承受較大壓應(yīng)力(1000MPa)，但不能承受大的拉應(yīng)力，其抗拉強度一般低于抗壓強度的十分之一(<80MPa)。如果沒有保護措施，永磁體將無法承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的巨大離心力。因此需要采用非導(dǎo)磁高強度合金鋼護套保護永磁體。本設(shè)計采用的高速永磁電機轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)永磁體抗壓強度遠大于抗拉強度的特點，護套和永磁體之間采用過盈配合，即對靜態(tài)永磁體施加一定預(yù)壓力，以抵消高速旋轉(zhuǎn)時離心力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使永磁體在轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時始終承受適當?shù)膲簯?yīng)力。永磁體與護套之間的過盈量需要根據(jù)永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、運行速度范圍和材料特性進行轉(zhuǎn)子強度分析，計算高速旋轉(zhuǎn)時永磁體和護套的應(yīng)力和應(yīng)變后方可確定。由于非導(dǎo)磁合金鋼護套與永磁體之間的過盈量較大，護套和永磁體裝配困難，需采用熱套工藝。為了避免高溫加熱使永磁體產(chǎn)生不可逆失磁，本設(shè)計采用轉(zhuǎn)子加工裝配后再進行整體充磁的新工藝。1.2環(huán)形繞環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計隨著轉(zhuǎn)速的增高，定子繞組電流和鐵心中磁通交變頻率增高，電機單位體積內(nèi)的損耗增加，高速電機定子設(shè)計需要特別考慮繞組和鐵心的高頻損耗和散熱問題。本設(shè)計所采用的定子結(jié)構(gòu)如圖2所示。定子采用環(huán)形繞組，每相繞組由a1和a2兩個環(huán)形繞組串連而成，環(huán)形繞組的下邊安放在定子鐵心的6個槽中，而繞組的上邊分別安放在定子軛部的24個槽中。該種連接方式相當于將傳統(tǒng)2極電機繞組軸向端部長轉(zhuǎn)移到了定子鐵心軛部，從而大大減少了高速電機轉(zhuǎn)子的軸向長度，提高了電機轉(zhuǎn)子的剛度。同時，定子軛部24個槽安放繞組的剩余空間可用作定子的通風(fēng)冷卻通道，增加了定子表面的散熱面積，通風(fēng)氣流不但能夠冷卻定子鐵心，而且能夠直接冷卻定子繞組，從而提高了定子的冷卻散熱效率。2功率分配電勢基于場路耦合有限元法，分析計算了高速永磁發(fā)電機的空載與負載特性。建立高速電機的場路耦合模型時，把圖2中繞組a1和a2的下層邊定義為電樞繞組；而把a1和a2的上層邊定義為繞組端部。按照同樣的方式定義了B相繞組和C相繞組。當電機在額定轉(zhuǎn)速60000r/min運行時，采用場路耦合有限元法計算的定子繞組空載相電勢波形如圖3所示。當相負載電阻為2.2?時，定子繞組負載電流如圖4所示。由于負載電流電樞反應(yīng)磁場的去磁作用，使電機負載時的繞組電勢比空載時低得多，此時繞組和端部上的電勢分別為340和35V，如圖5所示。高速電機在60000r/min負載運行時的電磁轉(zhuǎn)矩如圖6所示，相應(yīng)的電磁功率約為78kW。3計算損失的合理性3.1磁通密度和磁通變化頻率的選擇按照電機設(shè)計理論，定子鐵耗可由式(1)估算：式中：K0為定子鐵心磁通密度和磁通交變頻率分別為B0和f0時的單位重量損耗；B和f為電機運行時定子鐵心實際的磁通密度和磁通變化頻率；CFe為考慮部分磁路中磁場方向與鐵心材料取向不一致等因素影響時的損耗修正系數(shù)，本文通過對高速電機定子鐵心實際所采用的冷軋有取向電工鋼帶按順取向、與取向垂直方向和混合方向(順取向與垂直取向相結(jié)合)分別制作的鐵心試件，在不同頻率和磁通密度下進行試驗，然后求得損耗修正系數(shù)。負載運行某時刻高速電機內(nèi)的等磁位線分布如圖7所示，采用場路耦合有限元法計算負載運行時高速電機鐵心各部分的磁通密度及其損耗，然后相加求得定子鐵心鐵耗，約為600W，如圖8所示。3.2導(dǎo)電直徑對銅導(dǎo)電率的影響根據(jù)正弦穩(wěn)態(tài)電磁場理論，交變磁場在理想半無限大導(dǎo)體內(nèi)的透入深度(從導(dǎo)體表面磁通密度B0衰減到0.368B0處的深度)為式中：ω為交變磁場的角頻率；μ和σ分別為導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。由于高速電機繞組電流的頻率較高，為了減小集膚效應(yīng)，高速電機的定子繞組導(dǎo)線需采用多根導(dǎo)體并聯(lián)的細導(dǎo)線制作，繞組導(dǎo)體的直徑應(yīng)小于交變磁場的透入深度。由式(2)計算，對于1kHz的交變磁場在銅導(dǎo)體中的透入深度約為2.1mm，因此，繞組導(dǎo)體直徑應(yīng)小于2.1mm。在本設(shè)計中，定子繞組采用28根直徑為1mm的導(dǎo)線并聯(lián)，導(dǎo)體直徑遠小于透入深度，故集膚效應(yīng)對電阻的影響可以忽略不計。定子繞組相電阻計算值為0.016?，額定相電流為100A時定子繞組的銅耗為480W。3.3面的損失的確定轉(zhuǎn)子表面由于高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的風(fēng)磨損耗在高速電機總損耗中占有較大的比重，其準確計算比較困難。轉(zhuǎn)子圓周表面的摩擦損失決定于轉(zhuǎn)子表面的粗糙度，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以及空氣的性質(zhì)，可以表示為式中：K為轉(zhuǎn)子表面粗糙度，表面光滑時為1;Cf為摩擦系數(shù)，決定于速度和氣體的性質(zhì)；ρ為氣體的密度；ω轉(zhuǎn)子的角速度；r和l分別為轉(zhuǎn)子半徑和軸向長度。當轉(zhuǎn)子表面軸向冷卻空氣流量為10g/s時，轉(zhuǎn)子表面的摩擦損耗約為700W。3.4附加損耗的影響由于定子鐵心的齒槽結(jié)構(gòu)造成的氣隙不均勻和定子電流電樞反應(yīng)磁場的諧波分量，將在永磁轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子護套和轉(zhuǎn)子軛中產(chǎn)生附加損耗。計算表明，由于采用了非導(dǎo)磁而導(dǎo)電的轉(zhuǎn)子護套，對進入轉(zhuǎn)子的高頻磁場起到了屏蔽作用，致使轉(zhuǎn)子損耗主要是在轉(zhuǎn)子護套中，而永磁體和轉(zhuǎn)子軛中的損耗很小，甚至忽略不計。轉(zhuǎn)子護套的電導(dǎo)率約為1.1×106s/m,利用場路耦合計算得到轉(zhuǎn)子表面護套中的損耗約為235W，如圖9所示。4計算溫升的成本4.1高速電機轉(zhuǎn)子熱分析由于電機定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對稱性，電機中的損耗也是對稱分布的，故可取電機的1/6進行分析，如圖10所示。由于電機定、轉(zhuǎn)子之間的氣隙較小，所以定、轉(zhuǎn)子表面的溫度梯度是有限的。高速電機的轉(zhuǎn)子散熱條件較差，表面溫度較高，因此首先對高速電機轉(zhuǎn)子進行熱分析。(1）轉(zhuǎn)子表面散熱系數(shù)。電機定、轉(zhuǎn)子之間氣隙中的氣流是在2個圓柱體之間具有軸向和旋轉(zhuǎn)流動的氣流，其有效速度的Renault數(shù)為式中：vR為轉(zhuǎn)子圓周速度；va為軸向氣流速度；δE為等效直徑，在此為2δ；ν為空氣粘度。根據(jù)光滑表面圓柱體試驗曲線，可得Nusselt數(shù)，然后按式(6)計算定、轉(zhuǎn)子表面的散熱系數(shù)α：式中：λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù)；Nu為努塞爾數(shù)。由式(6)計算的定、轉(zhuǎn)子表面散熱系數(shù)約為1052W/(m2?K)。(2）熱載荷。采用二維熱分析模型時，轉(zhuǎn)子的熱流密度可按式(7)計算：式中：q為熱流密度；s為生熱面積；l為電機轉(zhuǎn)子長度；Ploss為轉(zhuǎn)子各個部分的損耗。(3）邊界條件。采用流體介質(zhì)冷卻固體時，固體表面一般有如下3類邊界條件：第1類邊界條件是指物體邊界上的溫度函數(shù)為已知量，即或式中：Γ為物體的邊界；T0為已知壁面溫度；f(x,y,z,t)為已知的溫度函數(shù)。第2類邊界條件是指物體邊界上的熱流密度q為已知，即或式中：λ為導(dǎo)熱系數(shù)；q為已知熱流密度；g(x,y,z,t)為已知熱流密度函數(shù)。如果q=0，表明此邊界為絕熱邊界條件。電機中具有幾何與損耗對稱部位的中心線，一般滿足絕熱邊界條件。第3類邊界條件是指與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和熱交換系數(shù)為已知，即式中Tf為與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度。轉(zhuǎn)子的對稱邊界滿足絕熱邊界條件，而轉(zhuǎn)子外表面為第3類邊界條件。(4）轉(zhuǎn)子中的穩(wěn)態(tài)溫度分布。加載邊界條件后，對高速電機轉(zhuǎn)子進行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到高速電機轉(zhuǎn)子內(nèi)的穩(wěn)態(tài)溫度分布如圖11所示，轉(zhuǎn)子的最高溫度約為123.6℃。低于永磁體的允許工作溫度。4.2熱設(shè)計及熱計算熱當空氣流速在5～25m/s的范圍內(nèi)時，散熱系數(shù)α和流速v之間的關(guān)系可表示為式中：α0為發(fā)熱表面在平靜空氣中的散熱系數(shù)，在此取α0=28;k為氣流吹拂效率系數(shù)，在此取1;v為繞組和鐵心表面的氣流速度，根據(jù)通風(fēng)量計算，約為22.8m/s。由式(13)計算得到定子表面的散熱系數(shù)為161.7W/(m2?K)。在已知定子損耗、定子表面散熱系數(shù)及轉(zhuǎn)子表面的溫度的基礎(chǔ)上，可計算定子的穩(wěn)態(tài)溫度分布，如圖12所示。繞組的最高溫度約為114.6℃。5高速永磁電機負載運行模擬(1）提出了一種可滿足高速電機機械和電磁性能要求且加工工藝簡單的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。為了避免加熱裝配護套時永磁體過熱產(chǎn)生不可逆失