本課題是國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目“微型燃?xì)廨啓C(jī)一高速發(fā)電機(jī)分布式發(fā)電與能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)研究”(50437010)的部分研究?jī)?nèi)容。高速電機(jī)的體積小、功率密度大和效率高，正在成為電機(jī)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。高速電機(jī)的主要特點(diǎn)有兩個(gè)：一是轉(zhuǎn)子的高速旋轉(zhuǎn)，二是定子繞組電流和鐵心中磁通的高頻率，由此決定了不同于普通電機(jī)的高速電機(jī)特有的關(guān)鍵技術(shù)。本文針對(duì)高速永磁電機(jī)的機(jī)械與電磁特性及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入地研究，主要包括以下內(nèi)容： 首先，進(jìn)行了高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度分析。根據(jù)永磁體抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于抗拉強(qiáng)度的特點(diǎn)，提出了一種采用整體永磁體外加非導(dǎo)磁高強(qiáng)度合金鋼護(hù)套的新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。永磁體與護(hù)套之間采用過(guò)盈配合，用護(hù)套對(duì)永磁體施加的靜態(tài)預(yù)壓力抵消高速旋轉(zhuǎn)離心力產(chǎn)生的拉應(yīng)力，使永磁體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)仍承受一定的壓應(yīng)力，從而保證永磁轉(zhuǎn)子的安全運(yùn)行。基于彈性力學(xué)厚壁筒理論與有限元接觸理論，建立了新型高速永磁轉(zhuǎn)子應(yīng)力計(jì)算模型，確定了護(hù)套和永磁體之間的過(guò)盈量，計(jì)算了永磁體和護(hù)套中的應(yīng)力分布。該種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度計(jì)算方法已應(yīng)用于高速永磁電機(jī)的樣機(jī)設(shè)計(jì)。 其次，進(jìn)行了高速永磁轉(zhuǎn)子的剛度分析和磁力軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算。基于電磁場(chǎng)理論分析了磁力軸承支承的各向同性，利用氣隙靜態(tài)偏置磁通密度計(jì)算了磁力軸承的線性支承剛度，在對(duì)高速電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)離散化的基礎(chǔ)上建立了磁力軸承—轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程，采用有限元法計(jì)算了高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子的臨界轉(zhuǎn)速。利用該計(jì)算方法設(shè)計(jì)的1臺(tái)采用磁力軸承的高速電機(jī)，已成功實(shí)現(xiàn)60000r/min的運(yùn)行。 再次，進(jìn)行了高速永磁電機(jī)的定子設(shè)計(jì)，提出了一種新型環(huán)形繞組結(jié)構(gòu)。環(huán)型繞組線圈的下層邊放在定子鐵心的6個(gè)槽中，而上層邊分布在定子鐵心軛部外緣的24個(gè)槽中，不但增加了定子表面的通風(fēng)散熱面積，使冷卻氣流直接冷卻定子繞組，更為重要的是，解決了傳統(tǒng)2極電機(jī)繞組端部軸向過(guò)長(zhǎng)的難題，使轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度大為縮短，從而增加了高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度。 然后，采用場(chǎng)路耦合以及解析與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，分析計(jì)算了高速永磁電機(jī)的損耗和溫升，并對(duì)高速永磁發(fā)電機(jī)的電磁特性進(jìn)行了仿真。高速電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是體積小和功率密度大，然而隨之而來(lái)的缺點(diǎn)是單位體積的損耗大，以及因散熱面積小造成的散熱困難。損耗和溫升的準(zhǔn)確計(jì)算對(duì)高速電機(jī)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。為了準(zhǔn)確計(jì)算高速電機(jī)的高頻鐵耗，對(duì)定子鐵心所采用的各向異性冷軋電工鋼片制作的試件，進(jìn)行了不同頻率和不同軋制方向的導(dǎo)磁性能和損耗系數(shù)測(cè)定。然后采用場(chǎng)路耦合的方法，分析計(jì)算了高速電機(jī)的定子鐵耗和銅耗、轉(zhuǎn)子護(hù)套和永磁體內(nèi)的高頻附加損耗以及轉(zhuǎn)子表面的風(fēng)磨損耗。在損耗分析的基礎(chǔ)上，計(jì)算了高速電機(jī)的溫升。最后，設(shè)計(jì)制造了一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速為60000r/min的高速永磁電機(jī)試驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了初步的試驗(yàn)研究。測(cè)量了電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下空載運(yùn)行時(shí)的定、轉(zhuǎn)子溫升及定子繞組的反電動(dòng)勢(shì)波形。通過(guò)與仿真結(jié)果的對(duì)比，部分驗(yàn)證了高速永磁電機(jī)理論分析和設(shè)計(jì)方法的正確性。在此基礎(chǔ)上，提出一種高速永磁電機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，為進(jìn)一步的研究工作打下了基礎(chǔ)。
標(biāo)簽：
永磁電機(jī)
機(jī)械
電磁
上傳時(shí)間：
2013-04-24
上傳用戶(hù)：woshiayin
