高速永磁同步发电机电磁与结构特性分析

高速永磁同步发电机电磁与结构特性分析

0高速电机的设计特点由于高旋转和高功率密度，高速电机的几何尺寸远小于相同功率的中低速电机，成为电机领域的研究热点，其应用也越来越广泛。如高速床、高速方向盘储存系统、天然气输送和污水处理、高速离心分离器和鼓风机。近来，用于分布式供电系统的微型燃气轮机驱动高速发电机越来越受到人们的关注。永磁电机由于其结构简单、力能密度高和无励磁损耗等优点，最适合用于高速电机。高速电机的主要特点有2个：(1)转子的高速旋转，转速高达每分钟数万转甚至十几万转，圆周速度可达200m/s以上；(2)定子绕组电流和铁心中磁通的高频率，一般在1000Hz以上。这些特点决定了高速电机的设计与传统电机设计有所不同。基于磁路分析的传统设计方法难以满足高速电机的设计要求，利用场路耦合方法可以准确地分析电机内的电磁场；而有限元方法也越来越广泛的用于电机内的温度场计算。本文对一台微型燃气轮机驱动用于分布式供电系统的60000r/min、75kW的高速永磁发电机进行了结构设计，然后基于场路耦合方法，分析高速永磁电机空载和负载特性，计算了电机的电磁与机械损耗，最后利用有限元法计算了高速电机内的温度场分布。1高速永机定旋转结构1.1磁电机及永磁转子高速电机一般采用2极或4极结构。2极电机便于永磁体采用整体结构，以保证永磁转子机械和电磁性能的对称性；同时在相同速度下2极电机定子铁心磁场和绕组电流的频率仅为4极电机的一半，减少极数有利于减小电机的铁耗和铜耗。从电磁和机械两个方面综合考虑，特别是从转子结构设计来看，采用2极方案比较有利，因此本设计中高速永磁电机采用2极结构。高速永磁电机的额定转速为60000r/min，转子表面线速度达到200m/s。永磁转子选用烧结钕铁硼，是一种类似于粉末冶金的永磁材料，能承受较大压应力(1000MPa)，但不能承受大的拉应力，其抗拉强度一般低于抗压强度的十分之一(<80MPa)。如果没有保护措施，永磁体将无法承受转子高速旋转时产生的巨大离心力。因此需要采用非导磁高强度合金钢护套保护永磁体。本设计采用的高速永磁电机转子结构如图1所示。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点，护套和永磁体之间采用过盈配合，即对静态永磁体施加一定预压力，以抵消高速旋转时离心力产生的拉应力，使永磁体在转子高速旋转时始终承受适当的压应力。永磁体与护套之间的过盈量需要根据永磁转子结构、运行速度范围和材料特性进行转子强度分析，计算高速旋转时永磁体和护套的应力和应变后方可确定。由于非导磁合金钢护套与永磁体之间的过盈量较大，护套和永磁体装配困难，需采用热套工艺。为了避免高温加热使永磁体产生不可逆失磁，本设计采用转子加工装配后再进行整体充磁的新工艺。1.2环形绕环结构设计随着转速的增高，定子绕组电流和铁心中磁通交变频率增高，电机单位体积内的损耗增加，高速电机定子设计需要特别考虑绕组和铁心的高频损耗和散热问题。本设计所采用的定子结构如图2所示。定子采用环形绕组，每相绕组由a1和a2两个环形绕组串连而成，环形绕组的下边安放在定子铁心的6个槽中，而绕组的上边分别安放在定子轭部的24个槽中。该种连接方式相当于将传统2极电机绕组轴向端部长转移到了定子铁心轭部，从而大大减少了高速电机转子的轴向长度，提高了电机转子的刚度。同时，定子轭部24个槽安放绕组的剩余空间可用作定子的通风冷却通道，增加了定子表面的散热面积，通风气流不但能够冷却定子铁心，而且能够直接冷却定子绕组，从而提高了定子的冷却散热效率。2功率分配电势基于场路耦合有限元法，分析计算了高速永磁发电机的空载与负载特性。建立高速电机的场路耦合模型时，把图2中绕组a1和a2的下层边定义为电枢绕组；而把a1和a2的上层边定义为绕组端部。按照同样的方式定义了B相绕组和C相绕组。当电机在额定转速60000r/min运行时，采用场路耦合有限元法计算的定子绕组空载相电势波形如图3所示。当相负载电阻为2.2Ω时，定子绕组负载电流如图4所示。由于负载电流电枢反应磁场的去磁作用，使电机负载时的绕组电势比空载时低得多，此时绕组和端部上的电势分别为340和35V，如图5所示。高速电机在60000r/min负载运行时的电磁转矩如图6所示，相应的电磁功率约为78kW。3计算损失的合理性3.1磁通密度和磁通变化频率的选择按照电机设计理论，定子铁耗可由式(1)估算：式中：K0为定子铁心磁通密度和磁通交变频率分别为B0和f0时的单位重量损耗；B和f为电机运行时定子铁心实际的磁通密度和磁通变化频率；CFe为考虑部分磁路中磁场方向与铁心材料取向不一致等因素影响时的损耗修正系数，本文通过对高速电机定子铁心实际所采用的冷轧有取向电工钢带按顺取向、与取向垂直方向和混合方向(顺取向与垂直取向相结合)分别制作的铁心试件，在不同频率和磁通密度下进行试验，然后求得损耗修正系数。负载运行某时刻高速电机内的等磁位线分布如图7所示，采用场路耦合有限元法计算负载运行时高速电机铁心各部分的磁通密度及其损耗，然后相加求得定子铁心铁耗，约为600W，如图8所示。3.2导电直径对铜导电率的影响根据正弦稳态电磁场理论，交变磁场在理想半无限大导体内的透入深度(从导体表面磁通密度B0衰减到0.368B0处的深度)为式中：ω为交变磁场的角频率；µ和σ分别为导体的磁导率和电导率。由于高速电机绕组电流的频率较高，为了减小集肤效应，高速电机的定子绕组导线需采用多根导体并联的细导线制作，绕组导体的直径应小于交变磁场的透入深度。由式(2)计算，对于1kHz的交变磁场在铜导体中的透入深度约为2.1mm，因此，绕组导体直径应小于2.1mm。在本设计中，定子绕组采用28根直径为1mm的导线并联，导体直径远小于透入深度，故集肤效应对电阻的影响可以忽略不计。定子绕组相电阻计算值为0.016Ω，额定相电流为100A时定子绕组的铜耗为480W。3.3面的损失的确定转子表面由于高速旋转产生的风磨损耗在高速电机总损耗中占有较大的比重，其准确计算比较困难。转子圆周表面的摩擦损失决定于转子表面的粗糙度，转子的转速以及空气的性质，可以表示为式中：K为转子表面粗糙度，表面光滑时为1;Cf为摩擦系数，决定于速度和气体的性质；ρ为气体的密度；ω转子的角速度；r和l分别为转子半径和轴向长度。当转子表面轴向冷却空气流量为10g/s时，转子表面的摩擦损耗约为700W。3.4附加损耗的影响由于定子铁心的齿槽结构造成的气隙不均匀和定子电流电枢反应磁场的谐波分量，将在永磁转子、转子护套和转子轭中产生附加损耗。计算表明，由于采用了非导磁而导电的转子护套，对进入转子的高频磁场起到了屏蔽作用，致使转子损耗主要是在转子护套中，而永磁体和转子轭中的损耗很小，甚至忽略不计。转子护套的电导率约为1.1×106s/m,利用场路耦合计算得到转子表面护套中的损耗约为235W，如图9所示。4计算温升的成本4.1高速电机转子热分析由于电机定、转子结构的对称性，电机中的损耗也是对称分布的，故可取电机的1/6进行分析，如图10所示。由于电机定、转子之间的气隙较小，所以定、转子表面的温度梯度是有限的。高速电机的转子散热条件较差，表面温度较高，因此首先对高速电机转子进行热分析。(1）转子表面散热系数。电机定、转子之间气隙中的气流是在2个圆柱体之间具有轴向和旋转流动的气流，其有效速度的Renault数为式中：vR为转子圆周速度；va为轴向气流速度；δE为等效直径，在此为2δ；ν为空气粘度。根据光滑表面圆柱体试验曲线，可得Nusselt数，然后按式(6)计算定、转子表面的散热系数α：式中：λ为空气导热系数；Nu为努塞尔数。由式(6)计算的定、转子表面散热系数约为1052W/(m2⋅K)。(2）热载荷。采用二维热分析模型时，转子的热流密度可按式(7)计算：式中：q为热流密度；s为生热面积；l为电机转子长度；Ploss为转子各个部分的损耗。(3）边界条件。采用流体介质冷却固体时，固体表面一般有如下3类边界条件：第1类边界条件是指物体边界上的温度函数为已知量，即或式中：Γ为物体的边界；T0为已知壁面温度；f(x,y,z,t)为已知的温度函数。第2类边界条件是指物体边界上的热流密度q为已知，即或式中：λ为导热系数；q为已知热流密度；g(x,y,z,t)为已知热流密度函数。如果q=0，表明此边界为绝热边界条件。电机中具有几何与损耗对称部位的中心线，一般满足绝热边界条件。第3类边界条件是指与物体相接触的流体介质的温度和热交换系数为已知，即式中Tf为与物体相接触的流体介质的温度。转子的对称边界满足绝热边界条件，而转子外表面为第3类边界条件。(4）转子中的稳态温度分布。加载边界条件后，对高速电机转子进行稳态热分析，得到高速电机转子内的稳态温度分布如图11所示，转子的最高温度约为123.6℃。低于永磁体的允许工作温度。4.2热设计及热计算热当空气流速在5～25m/s的范围内时，散热系数α和流速v之间的关系可表示为式中：α0为发热表面在平静空气中的散热系数，在此取α0=28;k为气流吹拂效率系数，在此取1;v为绕组和铁心表面的气流速度，根据通风量计算，约为22.8m/s。由式(13)计算得到定子表面的散热系数为161.7W/(m2⋅K)。在已知定子损耗、定子表面散热系数及转子表面的温度的基础上，可计算定子的稳态温度分布，如图12所示。绕组的最高温度约为114.6℃。5高速永磁电机负载运行模拟(1）提出了一种可满足高速电机机械和电磁性能要求且加工工艺简单的永磁转子结构。为了避免加热装配护套时永磁体过热产生不可逆失