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

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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。

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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

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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

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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。

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圈１．６ＩＮＩｋＷ高速永磁电机的结梅翻面圈

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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．