（电机与电器专业论文）高速永磁发电机及其控制系统研究.pdf

独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：塑叁塑日期：型垒塾兰 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密后应遵循此规定) 签名：j 性导师签名：二鼢日期：型 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 前言 随着新材料的发明，电力电子技术的发展， 成为可能，而且随着新的特殊需要的不断出现， 先进算法的出现，设计和应用新型电机 使得设计和应用新型电机也成为必要。 高速电机的出现便是其中一例。高速电机的转速一般可高达每分钟几万转甚至t 几万 转，按照电机工作原理，如果电机转矩一定的话，其输出功率与转速成正比。也就是 说，若电机输出功率一定，转速越高，电机尺寸越小，这使得高速电机具有高功率密度 的显著优点。 高速电机在u 常生活中和工业中应用非常广泛，按功能可将其分为两大类：高速电 动机和高速发电机。其中，高速电动机在空调或冰箱的离心式压缩机【2 j 、储能飞轮 t 3 l “、纺织1 5 l f “、高速磨床等诸多场合都可以见到它的应用，而日随着科学技术的发展， 特殊要求j 来越多，它的应用会越来越广泛。高速发电机由于其体积小、功率密度人、 效率高等优点，在工业及其它方面应用也越来越受剑重视，例如混和动力汽车、航空、 船舶1 7j 等方而都有应用。而且由于其体积小，具有较高的机动性，可用于医院、宾馆m l 及其它重要设施的备用电源，也可作为独立电源或小型电站，i 有重要的实用价值。尤 其足在“分散式发电”1 8 】中，由高速发电机和燃气轮机组成的发电机组的应用越束越受 到重视。“分散式发电”理论是美国在1 9 7 8 年提出的，并正式在美国推广，然后逐渐 被其他发达国家接受。所谓的“分散式发电”，就是依靠大型和小型发电站广泛结合， 借以大大改善供电效率、供电品质和减轻当今电力行业对环境的污染，减少兴建和改善 输电配电线路。据报道，美国早在1 9 8 7 年燃机发电装置的生产总量已超过了汽机生产 总量，其它发达国家每年新增的燃气联合总装机占火电新增容量的4 0 5 0 。传统 的燃气发电机组是由燃气轮机、减速箱和普通低速发电机构成。而把高速发电机和燃气 轮机直接连接，去掉中间减速箱，组成的燃气发电机组可具有体积小、易安装、效率 高、污染少、节省投资等一系列优点，因此，高速发电机的研究已越来越多收到重视。 浚鼙l 王监大学鼷学袋论文 1 2 本课题的意义和来源 目前我国的发电以燃煤为主，并且以“大机组、大电厂、大电网”为主导思想【”。 燃潆发电兹最大缺貉爱蓼凌污染严囊，越来越不适应霹蛰续发蒗羚要求。瑟澎粱小熬最 能、太阳能、遗热能投易受气候、蟪域等条锌豹露约，核能发电存在造价离帮核安全问 题，其它如沼气发电、垃圾发电等不可能形成较大规模。而我国石油天然气资源储最丰 富，随着国际上对石油天然气资源的不断开发利用，我圈也越来越认识到其激安性和广 阕应嗣翦景。爨翡难在实施大援摸鲍“疆气东竣”工稷 ，同时壤在“露气客输”沿线 靠透受芬中心建浚燃气发电厂。在蘸帮编运疆速，电藤戆疆至运，舔蠢涵天然气姿源丰 富或者可就近获得，在这些地区利用简速发电机技术建立分布式电厂，可大大降低基础 设旋投资，节省城距离输电费用，具错重夫意义。 本课题对刖于和微型燃气轮机嘏凝套的高速永磁发电帆及其控制系统进行了锻究， 怒到了淀戮黎鞠靛空发动凝集溺公霹瓣资殛。 1 3 国内外对高速发电祝的研究蠛状 l 3 1 国外研究现状 在国外，高速发电机的研究早已引起了许多科研院所以及公司的关淀，有些公 司甚至已经接粥了薅蝗产品。 文献【l 镄怼巍速永磁发龟祝的祷- 陡、参数、雏梅等滋杼了初步研究，嚣掇援研究静 结果设计，一台样机，该样机采用了一种如图1 1 所示的滗予不开槽结构。在该种结构 中，由于定予铁心没有齿槽，所以防t k y 因定子开槽在转子表面引起的巨太涡流损耗， 这也是该种结构熟优点所在。但是，程转子永磁体和定予镪心之间，电枢绕缀占了缀大 空嚣，该聱分空瘸瓷磁场努拆对瘦菝气羧殛瑾。这群等效气豫长度裁i 零大，矮缮获永 磁体到铁心的磁蕊降很大，导致了电机输出功率受到限制。因此，除非特殊需瓣，该种 结构般不宜采用。 2 一 浚鼙l 王监大学鼷学袋论文 1 2 本课题的意义和来源 目前我国的发电以燃煤为主，并且以“大机组、大电厂、大电网”为主导思想【”。 燃潆发电兹最大缺貉爱蓼凌污染严囊，越来越不适应霹蛰续发蒗羚要求。瑟澎粱小熬最 能、太阳能、遗热能投易受气候、蟪域等条锌豹露约，核能发电存在造价离帮核安全问 题，其它如沼气发电、垃圾发电等不可能形成较大规模。而我国石油天然气资源储最丰 富，随着国际上对石油天然气资源的不断开发利用，我圈也越来越认识到其激安性和广 阕应嗣翦景。爨翡难在实施大援摸鲍“疆气东竣”工稷 ，同时壤在“露气客输”沿线 靠透受芬中心建浚燃气发电厂。在蘸帮编运疆速，电藤戆疆至运，舔蠢涵天然气姿源丰 富或者可就近获得，在这些地区利用简速发电机技术建立分布式电厂，可大大降低基础 设旋投资，节省城距离输电费用，具错重夫意义。 本课题对刖于和微型燃气轮机嘏凝套的高速永磁发电帆及其控制系统进行了锻究， 怒到了淀戮黎鞠靛空发动凝集溺公霹瓣资殛。 1 3 国内外对高速发电祝的研究蠛状 l3 1 国外研究现状 在国外，高速发电机的研究早已引起了许多科研院所以及公司的关淀，有些公 司甚至已经接粥了薅蝗产品。 文献【l 镄怼巍速永磁发龟祝的祷- 陡、参数、雏梅等滋杼了初步研究，嚣掇援研究静 结果设计，一台样机，该样机采用了一种如图1 1 所示的滗予不开槽结构。在该种结构 中，由于定予铁心没有齿槽，所以防t k y 因定子开槽在转子表面引起的巨太涡流损耗， 这也是该种结构熟优点所在。但是，程转子永磁体和定予镪心之间，电枢绕缀占了缀大 空嚣，该聱分空瘸瓷磁场努拆对瘦菝气羧殛瑾。这群等效气豫长度裁i 零大，矮缮获永 磁体到铁心的磁蕊降很大，导致了电机输出功率受到限制。因此，除非特殊需瓣，该种 结构般不宜采用。 2 一 洗鞠芏堑夫学矮学氆论文 嚣l 。l 定予不嚣携瑟憨亵逮永磁逛爨 文献【4 】中绘融了三种不同类跫的蕊速永磁电视结构。口内转子周边永谶体结构、 外转子周边永磁体结构和内转予网蚀永磁体结构。经研究认为高速永磁电机气隙必须相 对较大以降低网定子开槽引起的谐波损耗，并且这一结论经过实验验证是正确的。 臻a b b 公露积瑞典v o l v o 公罨合 莹，磺毒残功整号为m t t 0 0 豹热电载产襻 税。该氍缀麓滋气输辔功率为1 0 0 k w ，热输国璃率1 6 7 k w + 慧效率赢这8 0 “。极组 采用的高速永磁发电机结构简图如图t 2 所示。该电机为4 极结构，转速超过 6 0 0 0 0 r m i n 。文献【l l 】还指出了高速缎电机用于分布式发电的巨大潜力和前景。 鹜1 2 离遮永磁发毫凝鑫l 露黼 英国燃气发电设备有限公司( t h et u r b og e n s e tc o m p a n yl i m i t e d ) 成立于1 9 9 3 年，专门从事开发研制燃气轮机驱幼的高速发电产品的工作。他们研制出一种如图1 4 掰示豹盘式结构麓速承磁发电机。转予国一个或多个网皴舱溷盘构成，藏蠹滤慰孝鑫向磁 纯懿庆磁俸。寇予龟是由一令或多令鬻蠡祷残，鑫内愚定予绕组。转子矗稻怒子盘交锩 排列。具有鞍高的效率和强度。但怒结构较复杂，增加了加工难度和成本。 3 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 3 盘式结构高速永磁发电机定转子结构图 英围b o w m a n 电气公司研制出了用于燃气发电的系列高速永磁发电机。相关技术参 数及事项如表1 1 所示，并且由此可以看出，他们在研究高速发电机方面已经向系列 化、产业化迈进。 表1lb o w m a n 公司产品技术参数表 效率 9 8 工作温度 一l o - - + 4 5o c 绝缘等级可达h 级 功率范围 2 0 k w - 15 m w 冷却介质 由j g 空气 轴承的研究也足与高速电机密不可分的内容，因为普通轴承难以在高速电机系统中 承受长时间运行，必须采用新结构和新材料的轴承。目前人们正在研究的类型有气动轴 承及磁力轴承。文献【6 】中给出了采用气动轴承的一个实例，这项技术的研究已日趋完 善。磁力轴承的研究正处于发展阶段，离产业化还有很长一段路要走。不过在芬兰也有 应用的实例i 拉1 1 1 3 】，成功用于6 台2 5 0 k w ，3 2 0 0 0 r m i n 的涡轮压缩机。 总而言之，国外对永磁高速发电机及相关技术的研究比较早，已经取得了很多研究 成果。而且随着新材料的不断出现，加工工艺的不断改进，该项技术必将以更快的速度 向前推进。 1 3 2 国内研究现状 国内对高速永磁电机的研究还不是很多，基本上限于功率较小的发电机或电动机。 文献 5 】中介绍了一种用于纺织工业应用的高速永磁同步电动机，还对电机研制中的一些 与高速有关的问题进行了初步的探讨。国内对较大功率高速发电机的研究基本上还是空 白，但是己经引起了人们的重视，而且具有良好的发展前景。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 图1 3 盘式结构高速永磁发电机定转子结构图 英围b o w m a n 电气公司研制出了用于燃气发电的系列高速永磁发电机。相关技术参 数及事项如表1 1 所示，并且由此可以看出，他们在研究高速发电机方面已经向系列 化、产业化迈进。 表1lb o w m a n 公司产品技术参数表 效率 9 8 工作温度 一l o - - + 4 5o c 绝缘等级可达h 级 功率范围 2 0 k w - 15 m w 冷却介质 由j g 空气 轴承的研究也足与高速电机密不可分的内容，因为普通轴承难以在高速电机系统中 承受长时间运行，必须采用新结构和新材料的轴承。目前人们正在研究的类型有气动轴 承及磁力轴承。文献【6 】中给出了采用气动轴承的一个实例，这项技术的研究已日趋完 善。磁力轴承的研究正处于发展阶段，离产业化还有很长一段路要走。不过在芬兰也有 应用的实例i 拉1 1 1 3 】，成功用于6 台2 5 0 k w ，3 2 0 0 0 r m i n 的涡轮压缩机。 总而言之，国外对永磁高速发电机及相关技术的研究比较早，已经取得了很多研究 成果。而且随着新材料的不断出现，加工工艺的不断改进，该项技术必将以更快的速度 向前推进。 1 3 2 国内研究现状 国内对高速永磁电机的研究还不是很多，基本上限于功率较小的发电机或电动机。 文献 5 】中介绍了一种用于纺织工业应用的高速永磁同步电动机，还对电机研制中的一些 与高速有关的问题进行了初步的探讨。国内对较大功率高速发电机的研究基本上还是空 白，但是己经引起了人们的重视，而且具有良好的发展前景。 4 沈阳工业大学硕士学位论文 1 4 本论文的主要工作 本论文的工作主要包括以下几个方面的内容： 首先，根据高速永磁发电机不同于普通电机的特点，从励磁方式、定子铁心、定子 绕组、冷却系统、转子结构、极数选取以及轴承类型等多个方面进行了研究，分析了高 速电机设计时存在的问题，给出了相应的解决方法。 其次，推导了高速永磁发电机的数学模型，并应用有限元法对电机电磁场进行了分 析，对发电机的有关参数进行了仿真计算，包括空载输出电压、负载电磁转矩、径向及 轴向偏移时受到的作用力等，根据汁算的结果研制了一台样机。 最后，针对微型燃气轮机驱动高速永磁发电机组成的发电系统，对其运行机理进行 了研究，并研制出样机控制系统，以此为基础，对样机进行了初步的实验研究。 5 沈阳工业大学硕士学位论文 高速电机转速很高，可达每分钟几万转到十几万转，甚至更高，转子因此产生巨大 的离心力。电枢中的电流频率相应很高，由此而产生的高频谐波损耗、涡流损耗比普通 电机大很多。总体而言，与普通低速发电机相比，高速永磁发电机在励磁方式、定子、 转子、轴承等许多方面都有很大不同，许多特点和性能需要分析和研究，从而优化电机 的设计方法，最终能使得该技术能够推广应用。 2 1 励磁方式的选取 目前，普通低速发电机( 一般3 0 0 0 r r a i n ) 的励磁方式有电励磁、永磁励磁或者混 合励磁等。电励磁方式按照有无电刷又可分为有刷励磁和无刷励磁。在高速发电机巾， 若采用有刷励磁方式，电刷与转子之问高速摩擦，会大大缩短换向环和电刷的寿命，蚓 此在高速电机中几乎不可能采用这种励磁方式。所谓无刷励磁，就是将整流电路与电机 同轴同速旋转，该整流电路义称为旋转整流器。整流电路结构较复杂，所含零部什较 多，而且很多器件机械强度不是很好，难以承受每分钟数万转乃至十几万转的速度产生 的离心力。随着材料技术的发展，出现_ r 高性能的永磁材料，使得永磁励磁方式得到了 较大的推广。在高速同步电机中，采用永磁转子，具有结构简单、能量密度大等优点， 而月经过合理设计，可获得较好的机械强度。因此，在高速永磁发电机的设计中，永磁 转子结构成为首选。 高速永磁发电机除了具有高速电机的一般特性外，还具有其自身特点，如永磁材 料、转子极数及结构的设计与选取等。 2 2 高速永磁发电机定子特点与设计方法 2 2 ，1 高速发电机定子铁心特点及设计方法 按照交流电机设计理论，定子铁耗可由下式估算： 屹卸。( 苦) 2 ( 丢严3 吒 ( 2 1 ) 式中：b 一定子铁心实际磁通密度； f - 定予铁心实际磁通频率： 6 沈阳工业大学硕士学位论文 高速电机转速很高，可达每分钟几万转到十几万转，甚至更高，转子因此产生巨大 的离心力。电枢中的电流频率相应很高，由此而产生的高频谐波损耗、涡流损耗比普通 电机大很多。总体而言，与普通低速发电机相比，高速永磁发电机在励磁方式、定子、 转子、轴承等许多方面都有很大不同，许多特点和性能需要分析和研究，从而优化电机 的设计方法，最终能使得该技术能够推广应用。 2 1 励磁方式的选取 目前，普通低速发电机( 一般3 0 0 0 r r a i n ) 的励磁方式有电励磁、永磁励磁或者混 合励磁等。电励磁方式按照有无电刷又可分为有刷励磁和无刷励磁。在高速发电机巾， 若采用有刷励磁方式，电刷与转子之问高速摩擦，会大大缩短换向环和电刷的寿命，蚓 此在高速电机中几乎不可能采用这种励磁方式。所谓无刷励磁，就是将整流电路与电机 同轴同速旋转，该整流电路义称为旋转整流器。整流电路结构较复杂，所含零部什较 多，而且很多器件机械强度不是很好，难以承受每分钟数万转乃至十几万转的速度产生 的离心力。随着材料技术的发展，出现_ r 高性能的永磁材料，使得永磁励磁方式得到了 较大的推广。在高速同步电机中，采用永磁转子，具有结构简单、能量密度大等优点， 而月经过合理设计，可获得较好的机械强度。因此，在高速永磁发电机的设计中，永磁 转子结构成为首选。 高速永磁发电机除了具有高速电机的一般特性外，还具有其自身特点，如永磁材 料、转子极数及结构的设计与选取等。 2 2 高速永磁发电机定子特点与设计方法 2 2 ，1 高速发电机定子铁心特点及设计方法 按照交流电机设计理论，定子铁耗可由下式估算： 屹卸。( 苦) 2 ( 丢严3 吒 ( 2 1 ) 式中：b 一定子铁心实际磁通密度； f - 定予铁心实际磁通频率： 6 沈阳工业大学硕士学位论文 一铁心单位重量损耗，是在定子铁心磁通密度和定子铁心磁通频率分别为 岛、而时所测值： g n 一铁心重量。 从式( 2 1 ) 可以看出，由于高速电机中的磁通频率厂比低速电机高很多，使得其定 子铁耗较大。在高速发电机中定子铁耗占总损耗的主要部分。例如，一台转速为 4 8 0 0 0 r m i n 的2 极高速电机和一台转速为3 0 0 0 r m i n 的2 极普通电机相比，如果其他参 数相同的话，前者的铁耗将是后者铁耗的3 6 倍还多。如果不采取相应措施来降低该损 耗值的话，它在高速电机的总损耗中所占比重就会很大，严重影响电机效率。在电机转 速( 频率) 一定的情况下，有两种方法可以减小定子铁耗：一方面，电机定子齿部和轭 部的磁通密度日不能选的太高，要低于普通低速电机的8 值，可采取的办法是增人电 机的气隙值，一般取值要在l m m 以上二；另一方面要选择使损耗系数岛尽可能小的材 料，硅钢片的厚度应满足式( 2 2 ) 关系： 抵雨1 ( z ：) 式中：d 一硅钢片厚度； u 一绕组电流角频率： 口一导体磁导率： 口一导体电导率。 在设计电机时，d 的取值般要小于o 3 r a m 。 2 2 2 定子绕组结构与参数分析 在现代电机设计中，普通大功率发电机一般采用扁铜导条做成的硬绕组。这种绕组 电阻小，容易做成固定的形状，槽满率高。但是，在高速发电机中，由于电枢绕组处于 高频磁场中，使得绕组中的电流频率也很高，如2 1 1 中所举高速发电机的例子，绕组 中电流基波频率可达8 0 0 h z 。如果仍采用铜导条做绕组，就会在导体内产生强烈的集肤 效应，导体的有效截面减小，电阻相对增大，导致了绕组铜耗的增加和电机效率的降 低。因此，在高速发电机中为了提高定子绕组的材料利用率，绕组导线必须采用多股并 绕的形式。单股圆导线的半径，可由式( 2 3 ) 计算： 7 沈阳工业大学硕士学位论文 一铁心单位重量损耗，是在定子铁心磁通密度和定子铁心磁通频率分别为 岛、而时所测值： g n 一铁心重量。 从式( 2 1 ) 可以看出，由于高速电机中的磁通频率厂比低速电机高很多，使得其定 子铁耗较大。在高速发电机中定子铁耗占总损耗的主要部分。例如，一台转速为 4 8 0 0 0 r m i n 的2 极高速电机和一台转速为3 0 0 0 r m i n 的2 极普通电机相比，如果其他参 数相同的话，前者的铁耗将是后者铁耗的3 6 倍还多。如果不采取相应措施来降低该损 耗值的话，它在高速电机的总损耗中所占比重就会很大，严重影响电机效率。在电机转 速( 频率) 一定的情况下，有两种方法可以减小定子铁耗：一方面，电机定子齿部和轭 部的磁通密度日不能选的太高，要低于普通低速电机的8 值，可采取的办法是增人电 机的气隙值，一般取值要在l m m 以上二；另一方面要选择使损耗系数岛尽可能小的材 料，硅钢片的厚度应满足式( 2 2 ) 关系： 抵雨1 ( z ：) 式中：d 一硅钢片厚度； u 一绕组电流角频率： 口一导体磁导率： 口一导体电导率。 在设计电机时，d 的取值般要小于o 3 r a m 。 2 2 2 定子绕组结构与参数分析 在现代电机设计中，普通大功率发电机一般采用扁铜导条做成的硬绕组。这种绕组 电阻小，容易做成固定的形状，槽满率高。但是，在高速发电机中，由于电枢绕组处于 高频磁场中，使得绕组中的电流频率也很高，如2 1 1 中所举高速发电机的例子，绕组 中电流基波频率可达8 0 0 h z 。如果仍采用铜导条做绕组，就会在导体内产生强烈的集肤 效应，导体的有效截面减小，电阻相对增大，导致了绕组铜耗的增加和电机效率的降 低。因此，在高速发电机中为了提高定子绕组的材料利用率，绕组导线必须采用多股并 绕的形式。单股圆导线的半径，可由式( 2 3 ) 计算： 7 沈阳工业大学硕士学位论文 ，1 、f o ) , u o - ( 2 3 ) 定子绕组采用多股并绕形式的缺点是填充系数低，因为在保证导体有效截面的前提 下，增加了导线与导线之间的绝缘以及导线之间的空隙。为了弥补这一缺点，应采用绝 缘层较薄的高质量导线，尤其是采用真空压力整浸技术处理的导线，可获得较高的槽满 率，并具有较好的导热性和较长的寿命。 2 2 3 冷却系统 即使采取上述措施，高速发电机单位重量的损耗仍比普通电机高很多，因此一个高 效的冷却系统是必不可少的。冷却介质按性质基本可分为两大类：液体介质( 水或油) 和气体介质( 空气或其它气体) 。液体介质比热容较大，冷却效果好，但是冷却回路需 要采取严格的密封措施，结构比较复杂。气体介质冷却效果虽然不如液体介质冷却效果 好，但结构相对要简单，成本较低。电机冷却所需冷却介质的体积流量可按下式计算： f ” q ，= 竿 ( 24 ) c d 凸zd 式巾：肌一须由冷却介质惜走的损耗； o 一冷却介质的比热容； r 。一冷却介质通过电机后的温升。 图2l 所示为作者提出的一种采用空气冷却的定子冲片结构示意图，该种结构尤其 适用于微型燃气轮机驱动的高速发电机。因为燃气轮机在工作过程中需要大量经过预热 的空气来助燃，故可以充分利用这部分空气。首先外界中的空气流入如图中所示的空气 路径，对电机进行冷却，同时空气温度升高。然后，升温后的空气进入燃气轮机燃烧室 助燃。图2 2 所示为一台样机的定子照片，其定子绕组已经绕好。 8 沈阳工业大学硕士学位论文 通风路径 图21采用空气冷却的定子冲片结构示意图 图2 2 绕组已经绕好的样机定子 在设计空气路径结构时，要充分考虑或计算以下问题及参数：电机损耗、空气路径 的形状及尺寸、燃气轮机所需空气流量等。这些参数之间互相影响，在设计时要经过准 确计算，反复优化，直到达到一个理想效果。 2 3 高速永磁发电机转- y - 特, g 与设计方法 2 3 1 高速永磁同步发电机转子结构 永磁同步发电机转子结构按照磁路结构( 永磁体的磁化方向) 可分为切向式、径向 式、混合式和轴向式四种。不同的结构具有不同的特点，有些结构仅适用于低速发电 机，有些结构可适于高速发电机。下面内容对此分别予以讨论。 2 3 1 1 切向式转子结构 切向式转子结构中永磁体的磁化方向与转子旋转方向相切。切向式转子结构又可分 为切向套环式结构和切向槽楔式结构，分别如图23 ( a ) 、所示。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 通风路径 图21采用空气冷却的定子冲片结构示意图 图2 2 绕组已经绕好的样机定子 在设计空气路径结构时，要充分考虑或计算以下问题及参数：电机损耗、空气路径 的形状及尺寸、燃气轮机所需空气流量等。这些参数之间互相影响，在设计时要经过准 确计算，反复优化，直到达到一个理想效果。 2 3 高速永磁发电机转- y - 特, g 与设计方法 2 3 1 高速永磁同步发电机转子结构 永磁同步发电机转子结构按照磁路结构( 永磁体的磁化方向) 可分为切向式、径向 式、混合式和轴向式四种。不同的结构具有不同的特点，有些结构仅适用于低速发电 机，有些结构可适于高速发电机。下面内容对此分别予以讨论。 2 3 1 1 切向式转子结构 切向式转子结构中永磁体的磁化方向与转子旋转方向相切。切向式转子结构又可分 为切向套环式结构和切向槽楔式结构，分别如图23 ( a ) 、所示。 9 沈阳工业大学硕士学位论文 燃 ( a ) 套环式结构( b 1 槽楔式结构 图2 3 切向式永磁转子结构示意图 1 一转子轭( 非磁性材料) 2 - - 转轴3 一永磁体 4 一极靴5 一护套6 一槽楔 由图可以看出，在切向套环式结构中永磁体并联作用，有两个永磁体截面对气隙提 供每极磁通，可提高气隙磁密，适用于极数多且要求气隙磁密高的永磁同步发电机。该 种结构虽然有护套的保护可保证转子在高速状态下具有较高强度，但以下几个方面的原 冈使它不适合于速度太高的发电机：一个足前面提到的高速发电机中气隙磁密不宜太 犬，而该结构的一个特点就是可以增强气隙磁密：二是该结构不适于极数较少、体积较 小的电机，而高速发电机恰恰体积不宜过大、极数不宜太多。体积过大体现不出高速电 机的高功率密度的优点，极数不宜过多的原因在后面高速永磁发电机极数选取部分再作 说明。切向槽楔式结构除了上面的原因外，其转子强度结构也不适于高速发电机应用。 231 2 径向式转子结构 径向式转子结构中永磁体的磁化方向沿转子径向。在该种结构中，永磁体的形状有 环形、星形、瓦片形和矩形等。瓦片形结构容易实现均匀磁化，而且结构简单，易于加 工，因而应用较多。此结构既可适用于低速电机，也可适用于高速电机。低速情况下， 用专用胶把永磁体块粘在转子铁心表面即可，表面无需防护罩。在高速运行情况下，外 面需增加防护罩以保证转子具有足够的强度。结构示意图如图2 4 所示。 1 0 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 4 径向瓦片形永磁转子结构示意图 2 3 1 3 混合式转子结构 混合式转子结构是在径向和切向都放置永磁体，如图2 5 所示。它可以在一定的转 子直径下提供更高的气隙磁密，也就是说可以在气隙磁密相同的情况下缩小转子体积。 但是混合式转子结构较复杂，难于加工，制造成本很高，高速旋转时强度不高，不太适 用于高速发电机。 蕊衿 躐爹8 图2 5 混合式永磁转子结构示意图 2 3 14 轴向式转子结构 轴向式转子结构中永磁体的磁化方向沿转子的轴向，如图2 6 所示。轴向式转子结 构的一个典型应用爪极式转子，由于爪极结构复杂，制造困难。由于爪极和法兰盘所占 转子体积的比例较大，与其他几种结构相比，电机质量增加。在绪论中介绍了一种盘式 定转子结构的高速发电机，也是采用轴向式永磁转子结构的一个实例。该种结构同样存 在结构复杂，制造困难的问题。除非特殊要求时可采用此种结构。 沈阳工业大学硕士学位论文 n n 永磁体 转子轭 转轴 图2 6 轴向式转子结构示意图 23 2 影响转子尺寸的因素 转子的尺寸包括转子轴向长度和直径，转子的动态性能主要由这两个参数决定。由 于高速旋转导致的最明显结果是产生巨大的离心力。我们知道，转子产生的离心力大小 和电机转速平方成正比。因此，从减小离心力的角度出发，我们希望转子商径尽可能的 小。然而，由于以下两个原因，转子直径不可能太小： 为了能产生所需要的电磁转矩以及输 h 功率，转子必须有足够的空间泶安装 磁体； 转子不但要有足够的强度，还要有足够的刚度，这就决定了转子不能过于细 长，也就是说，电机转子的真径和长度比要合理。 转子殴汁是高速永磁发电机技术关键之一，转了尺寸的决定必须经过精确的电磁计 算和机械强度校核，反复优化，才能获得理想的结果。参数计算程序框图如图2 7 所 可i o 23 3 不同转子极数的选取及对比 在普通永磁电机中，极数可取为2 极、4 极或6 极等，由于转速不是很高( 工频最高 3 0 0 0 r r a i n ) ，不同极数的选取对电机的性能不会产生非常明显的影响。而对于高速发电 机而言，情况就不同了，电机性能会因极数不同而产生相当大的差别。通常情况下，高 速永磁发电机的极数可选择2 极或4 极，结构简图如图2 8 所示。这两种选择各有优缺 点，表2 1 中列出了两种极数的不同之处的简单对照。 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 n n 永磁体 转子轭 转轴 图2 6 轴向式转子结构示意图 23 2 影响转子尺寸的因素 转子的尺寸包括转子轴向长度和直径，转子的动态性能主要由这两个参数决定。由 于高速旋转导致的最明显结果是产生巨大的离心力。我们知道，转子产生的离心力大小 和电机转速平方成正比。因此，从减小离心力的角度出发，我们希望转子商径尽可能的 小。然而，由于以下两个原因，转子直径不可能太小： 为了能产生所需要的电磁转矩以及输 h 功率，转子必须有足够的空间泶安装 磁体； 转子不但要有足够的强度，还要有足够的刚度，这就决定了转子不能过于细 长，也就是说，电机转子的真径和长度比要合理。 转子殴汁是高速永磁发电机技术关键之一，转了尺寸的决定必须经过精确的电磁计 算和机械强度校核，反复优化，才能获得理想的结果。参数计算程序框图如图2 7 所 可i o 23 3 不同转子极数的选取及对比 在普通永磁电机中，极数可取为2 极、4 极或6 极等，由于转速不是很高( 工频最高 3 0 0 0 r r a i n ) ，不同极数的选取对电机的性能不会产生非常明显的影响。而对于高速发电 机而言，情况就不同了，电机性能会因极数不同而产生相当大的差别。通常情况下，高 速永磁发电机的极数可选择2 极或4 极，结构简图如图2 8 所示。这两种选择各有优缺 点，表2 1 中列出了两种极数的不同之处的简单对照。 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 n n 永磁体 转子轭 转轴 图2 6 轴向式转子结构示意图 23 2 影响转子尺寸的因素 转子的尺寸包括转子轴向长度和直径，转子的动态性能主要由这两个参数决定。由 于高速旋转导致的最明显结果是产生巨大的离心力。我们知道，转子产生的离心力大小 和电机转速平方成正比。因此，从减小离心力的角度出发，我们希望转子商径尽可能的 小。然而，由于以下两个原因，转子直径不可能太小： 为了能产生所需要的电磁转矩以及输 h 功率，转子必须有足够的空间泶安装 磁体； 转子不但要有足够的强度，还要有足够的刚度，这就决定了转子不能过于细 长，也就是说，电机转子的真径和长度比要合理。 转子殴汁是高速永磁发电机技术关键之一，转了尺寸的决定必须经过精确的电磁计 算和机械强度校核，反复优化，才能获得理想的结果。参数计算程序框图如图2 7 所 可i o 23 3 不同转子极数的选取及对比 在普通永磁电机中，极数可取为2 极、4 极或6 极等，由于转速不是很高( 工频最高 3 0 0 0 r r a i n ) ，不同极数的选取对电机的性能不会产生非常明显的影响。而对于高速发电 机而言，情况就不同了，电机性能会因极数不同而产生相当大的差别。通常情况下，高 速永磁发电机的极数可选择2 极或4 极，结构简图如图2 8 所示。这两种选择各有优缺 点，表2 1 中列出了两种极数的不同之处的简单对照。 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 图2 7 转子尺寸参数计算程序框图 ( a ) 2 极转子结构( b ) 4 极转子结构 图2 8 不同极数高速永磁电机转子结构 1 一防护罩2 一永磁体3 一转子轭4 一转轴 表2 1 不同极数结构( 2 4 极) 特点对照 3 项n 磐 2 极4 极 结构及加工难度简单，易加工稍复杂，不易加工 强度面低 频率( 转速相同时)低 局 磁场对称度商低 绕组端部长度长短 1 3 沈阳工业大学硕士学位论文 对上表中的内容作说明如下： 2 极电机转子磁体一般可加工成圆环状，易于进行车、磨等加工处理，能达到较高 的机械加工精度。4 极电机转子磁体一般加工成瓦片形，不宜整体加工，若要达到较高 的加工精度，会增加加工成本。 2 极转子结构比4 极转子结构强度高是显而易见的，因为整体磁环无论是在承受径 向离心力还是轴向推力方面都比分片式的强得多。 在转速相同时，4 极电机磁场频率是2 极电机磁场频率的2 倍，这将导致电机损耗 犬大增加。 2 极电机永磁体的充磁可一次完成，保证了永磁体的磁场具有较好的对称度，而4 极电机的分瓣式永磁体充磁时一般不能一次完成，难以保证每片磁体的磁场强度、磁场 方向具有较高的均匀度和对称性。 由于2 极电机端部绕组跨距较大，使得整个端部加长，4 极电机端部则相对较 短。电机端部的长短直接影响到转轴的长短。在高速旋转系统中，转轴的长短对转轴的 刚度以及系统的临界转速都有较大影响，希望转轴越短越好，转轴越短，旋转越平稳。 由以上分析可以看出，2 极电机和4 极电机各有特点，在选取时应根据实际需要以 及电磁计算和机械强度计算的结果来进行。 2 3 4 永磁材料的选择及特性 高速永磁发电机的性能在很大程度上取决于永磁材料的性能。在进行永磁材料的选 取时，通常要从以下几个方面进行考虑： 为获得足够高的功率密度，永磁材料应具有足够的剩磁密度、磁感应强度矫顽力及最 大磁能积； 永磁材料应具有较好的磁性能，包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定 性。尤其是高速永磁发电机的损耗较大，温升较高，因此应选择工作温度点高的永磁材 料，使得发电机工作在永磁材料退磁曲线的直线部分： 商速永磁发电机转速高，转子需要具有好的动态平衡性，这就要求永磁材料具有较好 的机械加工性能，使得转子易于被加工至所要求的精度； 经济性要好，价格适意。 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 对上表中的内容作说明如下： 2 极电机转子磁体一般可加工成圆环状，易于进行车、磨等加工处理，能达到较高 的机械加工精度。4 极电机转子磁体一般加工成瓦片形，不宜整体加工，若要达到较高 的加工精度，会增加加工成本。 2 极转子结构比4 极转子结构强度高是显而易见的，因为整体磁环无论是在承受径 向离心力还是轴向推力方面都比分片式的强得多。 在转速相同时，4 极电机磁场频率是2 极电机磁场频率的2 倍，这将导致电机损耗 犬大增加。 2 极电机永磁体的充磁可一次完成，保证了永磁体的磁场具有较好的对称度，而4 极电机的分瓣式永磁体充磁时一般不能一次完成，难以保证每片磁体的磁场强度、磁场 方向具有较高的均匀度和对称性。 由于2 极电机端部绕组跨距较大，使得整个端部加长，4 极电机端部则相对较 短。电机端部的长短直接影响到转轴的长短。在高速旋转系统中，转轴的长短对转轴的 刚度以及系统的临界转速都有较大影响，希望转轴越短越好，转轴越短，旋转越平稳。 由以上分析可以看出，2 极电机和4 极电机各有特点，在选取时应根据实际需要以 及电磁计算和机械强度计算的结果来进行。 2 3 4 永磁材料的选择及特性 高速永磁发电机的性能在很大程度上取决于永磁材料的性能。在进行永磁材料的选 取时，通常要从以下几个方面进行考虑： 为获得足够高的功率密度，永磁材料应具有足够的剩磁密度、磁感应强度矫顽力及最 大磁能积； 永磁材料应具有较好的磁性能，包括热稳定性、磁稳定性、化学稳定性和时间稳定 性。尤其是高速永磁发电机的损耗较大，温升较高，因此应选择工作温度点高的永磁材 料，使得发电机工作在永磁材料退磁曲线的直线部分： 商速永磁发电机转速高，转子需要具有好的动态平衡性，这就要求永磁材料具有较好 的机械加工性能，使得转子易于被加工至所要求的精度； 经济性要好，价格适意。 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 下面介绍电机中常用的几种永磁材料的基本性能： 卜铝镍钴( a l n i c o ) 永磁的显著特点是温度系数小，g b r 仅为一0 0 2 k “左右，随温 度变化磁性能变化很小。剩余磁感应强度较高，但是矫顽力很低通常小于1 6 0 k a m ， 退磁曲线呈非线形变化。该种材料硬而脆，可加工性能较差，仅能进行少量磨削或电火 花加工，因此加工成特殊形状比较困难： 铁氧体永磁的突出优点有：价格低廉，不含稀土元素、钴、镍等贵重金属制造工艺 较为简单，矫顽力大，比为1 2 8 3 2 0 k a m ，抗去磁能力强，密度小，退磁曲线接近于 直线。主要缺点有：剩磁密度不高，最大磁能积较小，环境温度对磁性能的影响大，剩 磁温度系数t l b r 为一( o 1 8 o 2 0 ) k ，矫顽力温度系数( 7 h c i 为( o 4 o 6 mk 。另外， 铁氧体材料硬而脆，且不能进行电加工； 稀土钻永磁材料( 它和钕铁硼永磁材料同属于稀上永磁材料) 特点是剩余磁感应强度 辟、磁感应矫顽力总及最大磁能积( b h 、都很高。稀土钻永磁的退磁曲线基本上是一 条直线，抗去磁能力强，居里温度较高，一般为7 1 0 8 8 0 。其缺点是材料硬而脆， 抗拉强度和抗弯强度均较低，仅能进行少量的电火花和线切割加工，而且目l j 该种材料 价格较昂贵： 钕铁硼永磁材料磁性能高于稀土钻永磁，是目前磁性能最高的永磁材料，而e l 不含战 略物资钻，价格也比稀上钴便宜的多。钕铁硼永磁材料的不足之处是居里温度较低，一 般为3 1 0 4 1 0 。c 左右，温度系数较高，在高温下使用时磁损失较大。由于其中含有大 量的铁和钕，容易锈蚀，必须对其表面进行涂层处理。 通过对以上几个方面的分析比较可以看出，钕铁硼( n d f c b ) 永磁材料应该是较好 的选择。表2 2 给出了部分国产钕铁硼永磁材料的牌号及主要磁性能。 表2 2 部分国产钕铁硼永磁材料牌号及主要磁性能参数 剩磁矫顽力内禀矫顽力最大磁能积工作温度 牌号 蹦t )一c, c( 踟m “ ( o c ) ( k a m ) 0 0 a m ) ( k 1 m 3 ) n 3 511 79 1 5 9 5 52 7 98 0 n 3 5 mi 2 19 1 5 l l l 42 7 91 0 0 1 5 沈阳工业大学硕士学位论文 ln 3 5 h12 19 1 5 1 3 5 32 7 91 2 0 l n 3 0 s hl1 28 3 6 1 5 9 52 2 31 5 0 n 3 0 u h11 28 4 4 1 9 9 02 3 91 8 0 n 2 8 u hl0 88 1 2 1 9 9 02 2 31 8 0 n 2 8 e h10 88 1 2 2 3 8 72 2 32 0 0 235 防护罩的必要性及其不同类型的性能对比 永磁转子高速旋转时产生巨大离心力，如果永磁体仅靠粘胶的作用粘在转子轭部， 磁体极易发生“外抛”现象。而且永磁材料屈服强度都较低，难以满足高速旋转时的强 度要求。如果永磁体外面不采取防护措施，一旦永磁体发生脱胶或碎裂，就会造成非常 严重的后果。因此永磁转子外表面必须采用高强度的防护罩，以保证电机能在高速状态 安全可靠运行。图2 , 8 中项1 所示即防护罩结构。 防护罩的结构般可以有两种方式：一种方式是用高强度非磁性金属材料加工成非 常薄的套筒，将该套筒通过热缩方式，过盈配合套在永磁体外侧。这种合金套筒的优点 足强度高，导热性能好，并且易于精密加工。缺点是由于合金材料具有较好的导电胜， 因定子齿槽影响会在合金防护罩内产生涡流损耗，引起温升，如果温升过高甚至会导致 永磁体发生不可逆退磁。防护罩单位面积的损耗可用式r 2 5 ) 计算： w o = k o ( 等) 1 5 b o ， ( 2 5 ) 式中：* o = 2 7 2 4 历： 2 一槽数； n 一转速； p 一防护罩电阻率； b d 8 b 。试) 2 ； f = 槽距 另一种方式是用碳纤维绑扎成防护罩。碳纤维具有较高的韧性和强度，并且耐热性 也较好。用碳纤维做成的防护罩还有一个显著的优点就是不导电。不会产生涡流损耗。 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 ln 3 5 h12 19 1 5 1 3 5 32 7 91 2 0 l n 3 0 s hl1 28 3 6 1 5 9 52 2 31 5 0 n 3 0 u h11 28 4 4 1 9 9 02 3 91 8 0 n 2 8 u hl0 88 1 2 1 9 9 02 2 31 8 0 n 2 8 e h10 88 1 2 2 3 8 72 2 32 0 0 235 防护罩的必要性及其不同类型的性能对比 永磁转子高速旋转时产生巨大离心力，如果永磁体仅靠粘胶的作用粘在转子轭部， 磁体极易发生“外抛”现象。而且永磁材料屈服强度都较低，难以满足高速旋转时的强 度要求。如果永磁体外面不采取防护措施，一旦永磁体发生脱胶或碎裂，就会造成非常 严重的后果。因此永磁转子外表面必须采用高强度的防护罩，以保证电机能在高速状态 安全可靠运行。图2 , 8 中项1 所示即防护罩结构。 防护罩的结构般可以有两种方式：一种方式是用高强度非磁性金属材料加工成非 常薄的套筒，将该套筒通过热缩方式，过盈配合套在永磁体外侧。这种合金套筒的优点 足强度高，导热性能好，并且易于精密加工。缺点是由于合金材料具有较好的导电胜， 因定子齿槽影响会在合金防护罩内产生涡流损耗，引起温升，如果温升过高甚至会导致 永磁体发生不可逆退磁。防护罩单位面积的损耗可用式r 2 5 ) 计算： w o = k o ( 等) 1 5 b o ， ( 2 5 ) 式中：* o = 2 7 2 4 历： 2 一槽数； n 一转速； p 一防护罩电阻率； b d 8 b 。试) 2 ； f = 槽距 另一种方式是用碳纤维绑扎成防护罩。碳纤维具有较高的韧性和强度，并且耐热性 也较好。用碳纤维做成的防护罩还有一个显著的优点就是不导电。不会产生涡流损耗。 1 6 沈阳工业大学硕士学位论文 该种防护罩的缺点是导热性不好，它就像一个保温层，使永磁体内产生的热量不能有效 地传导到气隙中去，同样有可能导致永磁体过热而退磁。 由上分析可知，无论采用哪种防护罩结构，都应采取必要的措施降低转子的温升， 防止磁体失磁。由于高速发电机气隙尺寸相对较大，可以在气隙中通冷却气体，既可以 对转子起到冷却作用，也可以带走定子齿部产生的热量。 在实际设计时，要经过准确计算，根据计算结果进行对比研究，从中选出较好的方 案。 2 3 6 带金属防护罩转子强度计算 为保证在高速时获得足够的强度，防护罩和永磁体之间采用过盈配合，相互之间存 在压力。而永磁体和转子轭之间可采用胶粘方式，可以认为静态时两者之问不存在应力 作用。转子轭和轴之间采用键配合，也可认为静l 匕时不存在应力作用。这样转子结构如 图2 9 所示。 在转子受力分析时，忽略轴向变形及轴向受力情况，仅考虑径向和切向受力情况。 则防护罩受到径向应力和切向应力分别为： 咿半叫略2 2 孚一卜南 一爿 偿s ， = 半叫r a 2 + r c 0 2 一等一等，2 + p - 去( + 爿亿， 式中：y 一防护罩泊松值： 1 7 沈阳工业大学硕士学位论文 该种防护罩的缺点是导热性不好，它就像一个保温层，使永磁体内产生的热量不能有效 地传导到气隙中去，同样有可能导致永磁体过热而退磁。 由上分析可知，无论采用哪种防护罩结构，都应采取必要的措施降低转子的温升， 防止磁体失磁。由于高速发电机气隙尺寸相对较大，可以在气隙中通冷却气体，既可以 对转子起到冷却作用，也可以带走定子齿部产生的热量。 在实际设计时，要经过准确计算，根据计算结果进行对比研究，从中选出较好的方 案。 2 3 6 带金属防护罩转子强度计算 为保证在高速时获得足够的强度，防护罩和永磁体之间采用过盈配合，相互之间存 在压力。而永磁体和转子轭之间可采用胶粘方式，可以认为