高速永磁同步發(fā)電機(jī)電磁與結(jié)構(gòu)特性分析

高速永磁同步發(fā)電機(jī)電磁與結(jié)構(gòu)特性分析

0高速電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)由于高旋轉(zhuǎn)和高功率密度，高速電機(jī)的幾何尺寸遠(yuǎn)小于相同功率的中低速電機(jī)，成為電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。如高速床、高速方向盤(pán)儲(chǔ)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(jī)。近來(lái)，用于分布式供電系統(tǒng)的微型燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)高速發(fā)電機(jī)越來(lái)越受到人們的關(guān)注。永磁電機(jī)由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、力能密度高和無(wú)勵(lì)磁損耗等優(yōu)點(diǎn)，最適合用于高速電機(jī)。高速電機(jī)的主要特點(diǎn)有2個(gè)：(1)轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速高達(dá)每分鐘數(shù)萬(wàn)轉(zhuǎn)甚至十幾萬(wàn)轉(zhuǎn)，圓周速度可達(dá)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(diǎn)決定了高速電機(jī)的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)電機(jī)設(shè)計(jì)有所不同?；诖怕贩治龅膫鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)方法難以滿(mǎn)足高速電機(jī)的設(shè)計(jì)要求，利用場(chǎng)路耦合方法可以準(zhǔn)確地分析電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)；而有限元方法也越來(lái)越廣泛的用于電機(jī)內(nèi)的溫度場(chǎng)計(jì)算。本文對(duì)一臺(tái)微型燃?xì)廨啓C(jī)驅(qū)動(dòng)用于分布式供電系統(tǒng)的60000r/min、75kW的高速永磁發(fā)電機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，然后基于場(chǎng)路耦合方法，分析高速永磁電機(jī)空載和負(fù)載特性，計(jì)算了電機(jī)的電磁與機(jī)械損耗，最后利用有限元法計(jì)算了高速電機(jī)內(nèi)的溫度場(chǎng)分布。1高速永機(jī)定旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)1.1磁電機(jī)及永磁轉(zhuǎn)子高速電機(jī)一般采用2極或4極結(jié)構(gòu)。2極電機(jī)便于永磁體采用整體結(jié)構(gòu)，以保證永磁轉(zhuǎn)子機(jī)械和電磁性能的對(duì)稱(chēng)性；同時(shí)在相同速度下2極電機(jī)定子鐵心磁場(chǎng)和繞組電流的頻率僅為4極電機(jī)的一半，減少極數(shù)有利于減小電機(jī)的鐵耗和銅耗。從電磁和機(jī)械兩個(gè)方面綜合考慮，特別是從轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)看，采用2極方案比較有利，因此本設(shè)計(jì)中高速永磁電機(jī)采用2極結(jié)構(gòu)。高速永磁電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為60000r/min，轉(zhuǎn)子表面線(xiàn)速度達(dá)到200m/s。永磁轉(zhuǎn)子選用燒結(jié)釹鐵硼，是一種類(lèi)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(qiáng)度一般低于抗壓強(qiáng)度的十分之一(<80MPa)。如果沒(méi)有保護(hù)措施，永磁體將無(wú)法承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的巨大離心力。因此需要采用非導(dǎo)磁高強(qiáng)度合金鋼護(hù)套保護(hù)永磁體。本設(shè)計(jì)采用的高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)永磁體抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度的特點(diǎn)，護(hù)套和永磁體之間采用過(guò)盈配合，即對(duì)靜態(tài)永磁體施加一定預(yù)壓力，以抵消高速旋轉(zhuǎn)時(shí)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(shí)始終承受適當(dāng)?shù)膲簯?yīng)力。永磁體與護(hù)套之間的過(guò)盈量需要根據(jù)永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、運(yùn)行速度范圍和材料特性進(jìn)行轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分析，計(jì)算高速旋轉(zhuǎn)時(shí)永磁體和護(hù)套的應(yīng)力和應(yīng)變后方可確定。由于非導(dǎo)磁合金鋼護(hù)套與永磁體之間的過(guò)盈量較大，護(hù)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(jì)采用轉(zhuǎn)子加工裝配后再進(jìn)行整體充磁的新工藝。1.2環(huán)形繞環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jī)單位體積內(nèi)的損耗增加，高速電機(jī)定子設(shè)計(jì)需要特別考慮繞組和鐵心的高頻損耗和散熱問(wèn)題。本設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)槽中，而繞組的上邊分別安放在定子軛部的24個(gè)槽中。該種連接方式相當(dāng)于將傳統(tǒng)2極電機(jī)繞組軸向端部長(zhǎng)轉(zhuǎn)移到了定子鐵心軛部，從而大大減少了高速電機(jī)轉(zhuǎn)子的軸向長(zhǎng)度，提高了電機(jī)轉(zhuǎn)子的剛度。同時(shí)，定子軛部24個(gè)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(shì)基于場(chǎng)路耦合有限元法，分析計(jì)算了高速永磁發(fā)電機(jī)的空載與負(fù)載特性。建立高速電機(jī)的場(chǎng)路耦合模型時(shí)，把圖2中繞組a1和a2的下層邊定義為電樞繞組；而把a(bǔ)1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(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速60000r/min運(yùn)行時(shí)，采用場(chǎng)路耦合有限元法計(jì)算的定子繞組空載相電勢(shì)波形如圖3所示。當(dāng)相負(fù)載電阻為2.2?時(shí)，定子繞組負(fù)載電流如圖4所示。由于負(fù)載電流電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的去磁作用，使電機(jī)負(fù)載時(shí)的繞組電勢(shì)比空載時(shí)低得多，此時(shí)繞組和端部上的電勢(shì)分別為340和35V，如圖5所示。高速電機(jī)在60000r/min負(fù)載運(yùn)行時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩如圖6所示，相應(yīng)的電磁功率約為78kW。3計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)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(shí)的單位重量損耗；B和f為電機(jī)運(yùn)行時(shí)定子鐵心實(shí)際的磁通密度和磁通變化頻率；CFe為考慮部分磁路中磁場(chǎng)方向與鐵心材料取向不一致等因素影響時(shí)的損耗修正系數(shù)，本文通過(guò)對(duì)高速電機(jī)定子鐵心實(shí)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(jìn)行試驗(yàn)，然后求得損耗修正系數(shù)。負(fù)載運(yùn)行某時(shí)刻高速電機(jī)內(nèi)的等磁位線(xiàn)分布如圖7所示，采用場(chǎng)路耦合有限元法計(jì)算負(fù)載運(yùn)行時(shí)高速電機(jī)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(duì)銅導(dǎo)電率的影響根據(jù)正弦穩(wěn)態(tài)電磁場(chǎng)理論，交變磁場(chǎng)在理想半無(wú)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(chǎng)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(jī)繞組電流的頻率較高，為了減小集膚效應(yīng)，高速電機(jī)的定子繞組導(dǎo)線(xiàn)需采用多根導(dǎo)體并聯(lián)的細(xì)導(dǎo)線(xiàn)制作，繞組導(dǎo)體的直徑應(yīng)小于交變磁場(chǎng)的透入深度。由式(2)計(jì)算，對(duì)于1kHz的交變磁場(chǎng)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(jì)中，定子繞組采用28根直徑為1mm的導(dǎo)線(xiàn)并聯(lián)，導(dǎo)體直徑遠(yuǎn)小于透入深度，故集膚效應(yīng)對(duì)電阻的影響可以忽略不計(jì)。定子繞組相電阻計(jì)算值為0.016?，額定相電流為100A時(shí)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(jī)總損耗中占有較大的比重，其準(zhǔn)確計(jì)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(shí)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(zhǎng)度。當(dāng)轉(zhuǎn)子表面軸向冷卻空氣流量為10g/s時(shí)，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(chǎng)的諧波分量，將在永磁轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子護(hù)套和轉(zhuǎn)子軛中產(chǎn)生附加損耗。計(jì)算表明，由于采用了非導(dǎo)磁而導(dǎo)電的轉(zhuǎn)子護(hù)套，對(duì)進(jìn)入轉(zhuǎn)子的高頻磁場(chǎng)起到了屏蔽作用，致使轉(zhuǎn)子損耗主要是在轉(zhuǎn)子護(hù)套中，而永磁體和轉(zhuǎn)子軛中的損耗很小，甚至忽略不計(jì)。轉(zhuǎn)子護(hù)套的電導(dǎo)率約為1.1×106s/m,利用場(chǎng)路耦合計(jì)算得到轉(zhuǎn)子表面護(hù)套中的損耗約為235W，如圖9所示。4計(jì)算溫升的成本4.1高速電機(jī)轉(zhuǎn)子熱分析由于電機(jī)定、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性，電機(jī)中的損耗也是對(duì)稱(chēng)分布的，故可取電機(jī)的1/6進(jìn)行分析，如圖10所示。由于電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子散熱條件較差，表面溫度較高，因此首先對(duì)高速電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行熱分析。(1）轉(zhuǎn)子表面散熱系數(shù)。電機(jī)定、轉(zhuǎn)子之間氣隙中的氣流是在2個(gè)圓柱體之間具有軸向和旋轉(zhuǎn)流動(dòng)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(yàn)曲線(xiàn)，可得Nusselt數(shù)，然后按式(6)計(jì)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(jì)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(shí)，轉(zhuǎn)子的熱流密度可按式(7)計(jì)算：式中：q為熱流密度；s為生熱面積；l為電機(jī)轉(zhuǎn)子長(zhǎng)度；Ploss為轉(zhuǎn)子各個(gè)部分的損耗。(3）邊界條件。采用流體介質(zhì)冷卻固體時(shí)，固體表面一般有如下3類(lèi)邊界條件：第1類(lèi)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(lèi)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(jī)中具有幾何與損耗對(duì)稱(chēng)部位的中心線(xiàn)，一般滿(mǎn)足絕熱邊界條件。第3類(lèi)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(duì)稱(chēng)邊界滿(mǎn)足絕熱邊界條件，而轉(zhuǎn)子外表面為第3類(lèi)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(duì)高速電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析，得到高速電機(jī)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(jì)及熱計(jì)算熱當(dāng)空氣流速在5～25m/s的范圍內(nèi)時(shí)，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(jì)算，約為22.8m/s。由式(13)計(jì)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(jì)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(jī)負(fù)載運(yùn)行模擬(1）提出了一種可滿(mǎn)足高速電機(jī)機(jī)械和電磁性能要求且加工工藝簡(jiǎn)單的永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。為了避免加熱裝配護(hù)套時(shí)永磁體過(guò)熱產(chǎn)生不可逆失