结构与材料对高速永磁发电机电磁场及温度场的影响

论文摘要

高速永磁电机作为微型燃气轮机组常用发电设备,具有结构简单、功率密度大、节省材料、传动系统效率高等特点,成为电工领域研究的热点之一。高速永磁电机工作时,定子铁心磁场的交变频率可达上千赫兹,会引起高损耗和温升进而引发一系列危害,所以如何从结构和应用新材料方面改进高速永磁电机以降低电机温升具有重要意义。针对这些问题,本文主要研究了以下内容:首先,建立了高速永磁发电机二维瞬态电磁场数学模型,利用时步有限元法对电机瞬态电磁场进行计算,对比研究了定子采用闭口槽和半闭口槽时电机的电磁性能;对绕组采用环形绕法和常规绕法时发电机输出特性分别进行了计算分析,进而得出了定子绕组型式对电机输出性能的影响规律;计算当转子磁极采用平行充磁时多块分布式和2块集中式电机磁场分布,并从气隙磁密及其谐波含量变化、电压、电流方面分析两者差异。其次,从护套结构和材料方面入手,通过对比分析电机电磁性能和温度分布变化情况,探讨了几种转子护套复合结构的实用性。计算了护套分别采用铜屏蔽套与合金护套复合、铜套与碳纤维绑带复合时转子涡流变化情况,得到了铜屏蔽套厚度对转子涡流损耗的影响规律;并把碳纤维复合材料护套、陶瓷隔热涂层应用到电机转子上,研究碳纤维复合材料导电性与护套涡流损耗关系,分析了护套不同材料和结构在解决电机温升过高问题中起到的作用。最后,分析高速永磁发电机电磁场及输出电压、电流随转速变化关系,分析在无油冷措施下电机三维稳态温度场随转速的变化情况;同时,开展了相关的温升试验研究工作,并通过试验验证有关计算结果的可靠性;设计一种转子侧冷却措施——轴孔强迫通风冷却,研究了轴孔冷却时风速与冷却效果的关系,并对轴孔通风与陶瓷隔热涂层并用时的冷却作用展开讨论。本文得出结论可以为高速永磁同步电机的改进设计及结构优化提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 高速永磁电机国内外研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 本文研究主要内容
• 第2章 定子结构及充磁方式对高速永磁发电机电磁性能的影响
• 2.1 高速永磁发电机二维瞬态场数学模型描述
• 2.2 闭口槽与半闭口槽下电机电磁场对比
• 2.2.1 槽口型式对空载电磁场影响
• 2.2.2 槽口型式对负载电磁场影响
• 2.3 环形绕组与常规绕组电机电磁性能对比
• 2.4 充磁方式对电机电磁场和损耗分布的影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 不同转子复合结构时高速永磁发电机损耗及温度场计算
• 3.1 高速永磁发电机稳态温度场二维模型建立
• 3.2 铜屏蔽层复合护套结构电机温度场计算
• 3.2.1 铜屏蔽层与金属护套复合结构损耗计算
• 3.2.2 铜屏蔽套与碳纤维绑带复合损耗及温度场计算
• 3.3 碳纤维复合材料护套在高速电机上的应用分析
• 3.3.1 复合材料简介
• 3.3.2 碳纤维复合护套电磁性能研究
• 3.4 陶瓷隔热层护套复合结构对电机内温度分布影响
• 3.5 本章小结
• 第4章 高速永磁发电机冷却方式相关研究
• 4.1 无油冷措施电机不同转速下电磁及温度场分析
• 4.1.1 不同转速下电机电磁分析及损耗计算
• 4.1.2 不同转速下发电机内温度场分析
• 4.2 无油冷措施电机不同转速温升试验分析
• 4.3 轴孔通风对降低转子温升方面的作用分析
• 4.3.1 轴孔风速对转子温度影响
• 4.3.2 轴孔通风与隔热材料对电机综合作用研究
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢