高速永磁电机的机械和电磁特性研究

沈阳工业大学博士学位论文高速永磁电机的机械和电磁特性研究姓名：王继强申请学位级别：博士专业：电机与电器指导教师：王凤翔20061028沈阳工业大学博士学位论文图１．１由弹性联轴舞ｉ碾的两台６０ＲＷ．６ｍＮｒ／ｍｌａ高速感应电机■蟹ＬＩＴｈｅ６０ｋＷ，６０帅ｅｒ／ｍｉａｈｉｇｈｓｐｅｅｄ劬№钿Ⅱｍ吣Ｄ幅ｅｅｕｐｌｅｄｗａｈ４矗旺曲ｋ伽暇ｐｋｒ瑞典斯德哥尔摩皇家技术学院早在上世纪８０年代中期就对高速永磁发电机进行研究，制造了一台额定转速为１０００００ｒ／ｍｉｎ，额定功率为２０ｋＷ的高速电机。

其转子采用非导磁钢对永磁体进行了保护，并对电机转子进行了简单的应力计算Ｄ３Ｊ。

其样机试验时，转子转速达到了７５０００ｒ／ｒａｉｎ。

文献［３４１中，高速电机转子上永磁体表面采用碳纤维绑扎．国内对高速电机转子的结构研究还处于起步阶段。

文献［３５１探讨了高速异步电机转子设计面临的问题，文献（３６１分析了高速永磁同步电机转子设计的关键问题。

文献［３７１对一台１００ＭＷ空冷汽轮发电机护环强度进行了分析，文献【３８，３９】对燃气轮机转子进行了循环应力分析。

文献［４０－４３１利用有限元法对一些预应力装配问题进行了有限元分析．１．２．２高速电机的轴承一转子动力学在转予动力学发展的近百年历史中，出现过很多计算方法，发展到今天，现代的计算方法主要可以分为两大类：传递矩阵法［４４－蝴和有限元法Ｈ”ｌ。

传递矩阵法的主要特点是：矩阵阶数不随系统的自由度增大而增加，因而编程简单，占内存小，运算速度快，特别适用于像转子这样的链式系统。

目前，传递矩阵法在转子动力学的计算中占主导地位ｆ５３ｊ４１。

高速永磁电机的机械和电磁特性研究有限元法的运动方程表达方式简洁，规范，在求解转子动力学问题或转子和周围结构一起组成的复杂机械系统的问题时，有很多的优点嘲。

有限元法对复杂转子系统剖分单元庞大，计算结果比传递矩阵法准确，然而计算耗时长，占用内存大。

现代计算机技术的发展，给有限元法提供了良好的硬件条件，目前，有限元方法也得到了广泛应用嗍。

文献ｆ３０】对高速感应电机转子的固有振动频率进行了计算，得到转子的弯曲模态如图１．２所示。

上述计算中没有考虑磁力轴承支承刚度和陀螺效应对转子临界转速的影响。

图ｌｏ前两阶弯曲临界转速对应的模态确参１２Ｔｋｍ砌ｅａｈ岬ｏｆ血ｅ舾Ｉ棚＂厅钾ｂ衄ｄ诅ｇⅡａｔⅡ糟Ｉｆ嘲Ⅱ蚰ｃｈ文献【３０】还进一步试验测试了感应电机转子的固有振动频率，如图１３所示，并把有限元分析得到的固有频率和试验检测得到的固有频率进行了对比。

其中一台６５ｋｗ电机叠片转子的一阶弯曲频率为５３０｝ｋ，只是这种转子临界转速计算的准确性还需要提高。

沈阳工业大学博士学位论文图１．３叠片转子的弯曲临界转速检测Ｆ蟹１．３Ｍｅｓｕｒｕｍｅｎｔｏｆｔｈｅｂ蛐曲曙口瞄蝴叩∞凼ｏｆｔｋｌ¨血ａｔ阳ｌｒＯＷｉｒ文献【５７】对一台高速永磁无刷电机的转子的固有频率进行了分析计算，如图１．４所示，转子两端的每一个轴承都被简化为２个Ｘ方向和两个Ｙ方向的弹簧。

但是并没有考虑陀螺力矩对转子临界转速的影响，从而影响了分析的准确性。

豳１．４轴承一转子系统的有限元痰垄啦！．４Ｔｈｅ肌ｍｏｄｅｌｆｏｒｒｏｌｏｒｗｉ凼ｂｅａｒ‘ｍｐ国内也有某些学者对电机转子的动态性能进行了研究∞蚓，但是对高速电机转子的动力学分析较少。

高速永磁电机的机械和电磁特性研究１．２．３高速电机的定子结构定子结构对高速电机的性能有重要的影响。

文献［３３１对高速永磁发电机的特性、参数、结构等进行了初步研究，并根据研究的结果设计了一台２０ｋＷ样机，该样机采用了一种如图１．５所示的定子无槽结构，定予绕组采用环形绕组。

在该种结构中，由于定子铁心没有齿槽，防止了因定子开槽在转子表面引起的涡流损耗，这也是该种结构的优点所在。

但是，在转子永磁体和定子铁心之间，电枢绕组占了很大空间，这将使电机的气隙增大，导致电机输出功率受到限制。

图１．５２０ｋＷ无糟结构的高速永磁电机结构示意图Ｆｉｇ．１．５Ｄｉａｇｒａｍｏｆａ２０Ｉ州幽蚰∞ＰＭｍａｃｈｉｎｅ瑞士ＡＢＢ公司和瑞典ＶＯＬＶＯ公司均在高速燃气轮机驱动永磁高速发电机匕进行了多年的研究，他们合作研制成功型号为ＭＴ１００的热电联产样机嗍。

该机组的电气输出功率为１００ｋＷ，热输出功率１６７ｋＷ，总效率高达８０％。

机组采用的高速永磁发电机结构简图如图１．６所示。

沈阳工业大学博士学位论文圈１．６ＩＮＩｋＷ高速永磁电机的结梅翻面圈嘶１．６Ｃｎｔａｗａｙｄｉａｇｒａｍｅｒａｈ袖。

畔ｄ１００ｋＷＰＭｍａｃｈｉｎｅ英国燃气发电设备有限公司ｆｒｈｅＴｕｔｔⅪＧｅｎｓｅｔＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ），专门从事开发研制燃气轮机驱动的高速发电产品。

他们研制出一种盘式结构高速永磁发电机。

转子由一个或多个同轴的圆盘构成，圆盘内是轴向磁化的永磁体，定子也是由一个或多个圆盘构成，盘内是定子绕组。

转子盘和定子盘交错排列，具有较高的效率和强度，但是结构较复杂，增加了加工难度和成本。

１．２Ａ高速电机的损耗和温升计算高速电机的损耗计算和传统电机的损耗计算有很大的不同。

高速电机功率大，体积小，功率密度高，但同时高速电机单位体积内的损耗也大。

虽然目前对各种普通电机的电磁性能睁卅和损韦＃御１１研究比较多，但是对高速电机损耗的研究比较少圈。

高速电机的定子损耗分为铜耗和铁耗，其中定子铜耗计算比较简单。

要计算定子铁耗，首先必须了解定子材料在高频下的损耗系数。

文献ｆ７３】研究了材料的加工工艺过程对硅钢片材料性能的影响．文献１３０］中高速感应电机中使用的０．２ｒａｍ硅钢片在磁通密度为ＩＴ，１０００Ｈｚ时的损耗系数为４４Ｗ／ｋ．ｇ：而文献［７４１中感应电机使用的０．２０ｒａｍ硅钢片在磁通密度为ｌＴ，频率为１３３３Ｈｚ时的损耗系数为１３４．４Ｗ／ｋｇ；ｉ焉ｉｄ＇－文献中定子铷Ｄ材料的损耗系数相差甚大．时，由于单位体积功率密度与损耗的增加和总体散热面积的减小，有效的散热和冷却方式，是高速电机设计中的一个重要问题。

２．１．４高速永磁电机的磁悬浮技术普通的机械轴承在高速电机中应用寿命很短，一般需要采用非机械接触式轴承，主要有三类：（１）充油轴承油轴承在使用过程中需要配备高压油泵，这不但增大了高速电机附属设施的体积，而且由于存在漏油问题和损耗较大，逐渐被先进的气悬浮和磁悬浮技术所代替。

瑞典斯德哥尔摩皇家技术学院制造的ｌＯＯｋＷ，７００００ｒ／ｒａｉｎ的高速永磁电机采用充油轴承【９”，轴承的摩擦损失达到ｌｋＷ，这对高速永磁电机的转子冷却来说是个严重的问题。

ｅ２）空气轴承圈２．１空气轴承结构原理示意图啦２．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｂｌｇｒａｍｏｆａｉｒｂｅａｒｔ唾空气轴承的结构原理如图２．１所示。

用压缩空气代替油膜实现气悬浮，漏气比漏油问题容易解决。

与磁悬浮轴承比，空气轴承的体积较小，控制简单；其缺点是用很薄的一层压缩空气（２５ｒｉｍ）支撑转子，承受负载能力有限，同时对轴承材料的性能与加工精度要求极高。

（３）磁力轴承磁力轴承是借助于永久磁铁或可控电磁铁产生的电磁力使转予实现稳定悬浮ｆ蜘川。

磁力轴承是集力学、机械、控制工程、电磁学、电子学和计算机技术于一体的典型机电一体化产品。

由于磁力轴承可以实施主动控制［９５－９９］，所以它具有一般传统轴承所无法比沈阳工业大学博士学位论文拟的优越性。

由于电磁轴承的摩擦损耗极小，所以磁力轴承支承的转子可在每分钟数十万转的工况下运行【１雕１啊，同时也不存在类似滚动轴承、滑动轴承由于磨损和接触疲劳所产生的寿命问题。

磁力轴承在高速电机中具有广阔的应用前景。

图２．２为主动式磁力轴承的工作原理和控制系统示意图。

图２．２主动式磁力轴承结构原理与控翩系统示意图脚姐Ｓｔｒｍａ＇ｍ＇ｅ：ｍｄＭ删ｓｙｍｏｆ枷＂ｍａｇｎｅｔｉｃｂｅａｒｍｐ２．２高速永磁电机的转子结构设计在分析高速电机关键技术的基础上，首先对一台额定转速６００００ｆ／ｒａｉｎ，额定功率７５ｋＷ的高速永磁电机转子进行了结构设计。

２．２．１永磁转子直径和长度的选择高速永磁电机的额定转速为６００００ｒ／ｍｉｎ，根据转子表面线速度不宜超过２００ｍ／ｓ［辑ｌ，选择永磁转子的外径：根据永磁电机转子刚度和电机输出功率的要求综合考虑确定永磁转子长度。

２．２．２永磁材料的选择高速永磁电机样机选用永磁材料的剩余磁感应强度Ｂｒ约为１．０５－１．１３Ｔ，矫顽力不小于７５６ｋＡ／ｍ，而它的工作温度不大于１８０℃，居里温度约为３４０℃．２．２．３永磁体的保护高速永磁电机选用的稀土永磁体为烧结钕铁硼，是一种类似于粉末冶金的永磁材料，能承受较大的压应力（１０００ＭＰａ），但不能承受大的拉应力，其抗拉强度一般低于抗沈阳工业大学博士学位论文表玉１永磁体和护套的属性Ｔａｂｋ３．ＩＴｈｅｐｒｏｐｅｒｔｉｕ栅ｅＰＭａｎｄｅｎ岫ｕｌｔ从公式（３．２Ｈ３３０）中可以看出，永磁体和护套之间的过盈配合量不但与转子的旋转速度和转子的温度有关，而且还与永磁体和护套的尺寸有关。

要确定转子的尺寸，只能通过反复的试算，然后从试算结果中选择—组较佳的尺寸。

ＶｉｓｕａｌＣ＋＋６．ｏ提供了一个先进的Ｃ＋＋语言实现环境，它利用微软公司提供的强大的ＭＦＣ（ＭｉｃｒｏｓｏｆｔＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｃｌ舾鲥樊痒，在Ａ印ｌｉｍｉｏｎＦｒａｍｅｗｏｒｋ中，添加很少的自己的应用程序代码，就能实现界面友好的Ｗｉｎｄｏｗｓ程序设计。

利用ＶｉｓｕａｌＣ＿Ｈ６．ｏ，设计了一个Ｗｍ曲ｗｓ程序，用来计算高速电机的转子尺寸，如图３．２所示图３２转子设计程序对话框磁北Ｔｈｅｄ№ｗｈｔｄｏｗｏｆ曲ｅｒｏｔｏｒｄ咖ｐｒｏｇｒａｍ高速永磁电机的机械和电磁特性研究利用解析法，经过反复试算，得到转子的尺寸如表３．２所示：表３．２永磁体和护套的尺寸Ｔａｂｌｅ北ｎｅｄｈｎｅｎｓｌｏｎｏｆ６１ｅＰＭａｎｄｅｎｃｌｏｓｕｒｅ３．３永磁体和护套的强度分析采用解析法计算时，由于把永磁体和护套看成无限长，不考虑它们的轴向应变。

采用有限元法，则可以方便的计入永磁体和护套的轴向应变，进而方便的得到永磁体和护套各个部分的应力。

采用有限元法，利用式（３．３０）式，可以准确计算永磁体和护套中的应力分布。

吒＝Ｂ峙。

一ｃｒｙ户＋杌一ｃｒｚｒ＋ｐ；一ｃｒＩ）２＋６（砖＋吒＋仃三）】）ｊ（３．３０）由于永磁体和护套都是环形结构，为了减少单元的数量和计算时间，采用二维轴对称模型，对称轴为Ｙ轴，如图３．３所示。

根据有限元的接触理论，利用二维轴对称的线一线接触来模拟永磁体和护套之问的过盈配合。

假定永磁体的内边Ａ上所有点的径向位移相同，并且令Ａ边中点的轴向位移为零；同时耦合护套外边Ｂ上所有点的径向位移。

图３．３永磁体和护套酶辘肺像摸型№３．３ＴｈｅａｘｉａｌｓｙｍｍｅｔｒｙｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅＰＭａｎｄｌｅｅｎｃｌｏｓｕｒｅ沈阳工业大学博士学位论文由解析法和有限元法计算得到永磁体内的旋转切向应力分布分别如图３．７所示。