高速永磁發(fā)電機溫度分布與結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計研究.pdf

1、因具有諸如高功率密度、低勵磁損耗、高效率、高功率因數(shù)等一系列優(yōu)點,高速永磁發(fā)電機成為燃氣輪機發(fā)電機組常用的關(guān)鍵發(fā)電設(shè)備,并在日常家電、工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域和軍工等領(lǐng)域均具有優(yōu)勢和良好的應(yīng)用前景。高速永磁電機工作時,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高達每分數(shù)萬轉(zhuǎn),造成電機單位體積損耗較普通電機大大增加,使電機工作溫升變高。通過研究高速永磁發(fā)電機內(nèi)溫度分布規(guī)律,合理設(shè)計電機結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)可以降低工作溫升,改善電機內(nèi)溫度分布,延長永磁體和電機的工作壽命,具有重要意義。本文針

2、對電機結(jié)構(gòu)型式、運行工況和冷卻條件對高速永磁發(fā)電機內(nèi)溫度分布影響開展深入理論研究,并對電機關(guān)鍵部件開展了優(yōu)化設(shè)計研究,為提升高速永磁發(fā)電機性能奠定基礎(chǔ)。
　　針對一臺100kW級高速永磁電機采用的背繞式繞組和轉(zhuǎn)子合金保護套筒等特殊結(jié)構(gòu),就電機拓撲結(jié)構(gòu)對其電磁輸出參數(shù)和損耗分布的影響開展了研究。采用時步有限元法,對電機內(nèi)瞬態(tài)磁場分布的時變規(guī)律進行計算,求得高速永磁發(fā)電機內(nèi)的磁場分布和不同組件電磁損耗;對比研究了定子側(cè)傳統(tǒng)繞組結(jié)構(gòu)與背

3、繞式結(jié)構(gòu)、開口槽與閉口槽、開槽鐵心和無槽鐵心對繞組反電動勢和電機內(nèi)損耗分布的影響;分析了轉(zhuǎn)子側(cè)不同護套結(jié)構(gòu)對電機磁場分布和性能的影響;建立多目標的永磁體尺寸優(yōu)化函數(shù),提出非均衡相對加權(quán)方法,對永磁體開展優(yōu)化設(shè)計。基于電磁分析得到的電機內(nèi)各組件損耗將作為電機內(nèi)熱分析的分布式熱源,為下一步的電機內(nèi)熱分析奠定基礎(chǔ)。
　　對采用密閉油冷方式下高速永磁發(fā)電機內(nèi)溫度分布進行了研究。建立了計及繞組端部結(jié)構(gòu)的三維全域流體-溫度耦合計算模型,確定了

4、多邊耦合散熱邊界條件。充分考慮工作溫度與電機內(nèi)不同材料導(dǎo)電、導(dǎo)熱和導(dǎo)磁性能以及冷卻介質(zhì)傳熱特性之間相互作用影響,提出電磁-流體-溫度多重收斂迭代計算方法,研究了多支路并聯(lián)冷卻通道系統(tǒng)下電機全域內(nèi)的額定運行時溫度分布,探討了不同定子槽型和鐵心結(jié)構(gòu)時電機內(nèi)溫度分布的變化規(guī)律,分析了不同轉(zhuǎn)子護套結(jié)構(gòu)對電機內(nèi)溫度分布影響?；诖_定的不同轉(zhuǎn)速工作時電機內(nèi)熱源分布和傳熱能力變化,揭示了電機關(guān)鍵組件溫度隨工作轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律,給出電機不同組件溫度與定子

5、繞組電阻之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式,為電機內(nèi)溫度監(jiān)測提供重要參考。
　　針對油冷系統(tǒng)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組件對電機內(nèi)溫度分布影響進行了研究。計算分析了定子側(cè)采用不同材料隔油環(huán)時電機內(nèi)溫度分布的變化情況,并分析取消隔油環(huán)后氣隙空氣導(dǎo)熱能力和電機工作溫度改變;提出在轉(zhuǎn)子側(cè)增加新型冷卻措施,包括熱障涂層、軸向風(fēng)孔和軸內(nèi)風(fēng)扇,并對新增不同冷卻措施后電機內(nèi)溫度分布變化進行了對比研究。為電機冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計和評估其冷卻效力提供理論參考。搭建高速永磁發(fā)電機試驗研究

6、平臺,對不同轉(zhuǎn)速和不同負載情況下的輸出參數(shù)和關(guān)鍵位置工作溫升進行了測量,總結(jié)被測參數(shù)隨工作條件的變化規(guī)律;對相同試驗條件下的電機電磁輸出參數(shù)和溫度分布進行了計算分析,驗證分析方法和結(jié)果的可靠性。
　　為降低電機工作溫升和改善電機內(nèi)溫度特別是減小軸向溫差,對油冷系統(tǒng)槽內(nèi)軸向冷卻流道結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計研究。提出幾種不同結(jié)構(gòu)油冷流道,對比分析不同流道結(jié)構(gòu)時電機內(nèi)溫度分布變化,并評估不同流道結(jié)構(gòu)在改善電機溫度分布的效力;進一步研究了流道高

7、度和流道截面變化位置對電機內(nèi)溫度分布的綜合作用影響,給出溫度隨流道結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的數(shù)學(xué)關(guān)系;以流道變化尺寸和位置為參變量,建立了以電機定子繞組、定子鐵心和轉(zhuǎn)子體位置的軸向最高溫度和軸向溫差均為最小的多目標二元優(yōu)化函數(shù),對電機密閉通油冷卻通道結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計,找到了改善電機全域溫度分布的流道結(jié)構(gòu)方案,使電機全域內(nèi)溫度分布明顯趨于均勻。
　　以一臺置于微型燃氣輪機的進氣通道內(nèi)開啟式空氣冷卻高速永磁發(fā)電機為例,研究了空氣冷卻系統(tǒng)下高速永

8、磁發(fā)電機內(nèi)溫度分布規(guī)律。基于電機的輸出電磁性能,針對定子齒槽尺寸開展了優(yōu)化設(shè)計研究,確定了電機內(nèi)的損耗分布;建立電機全空冷三維流體-溫度耦合計算分析模型,找出空冷系統(tǒng)下高速永磁發(fā)電機的三維溫度分布規(guī)律;研究進氣通道內(nèi)風(fēng)量和散熱支撐筋板高度對電機內(nèi)溫度分布的影響;綜合考慮定子槽口尺寸變化引起電機磁路和風(fēng)路的改變以及由此造成的對電機輸出電磁參數(shù)和溫度分布影響,建立了以定子槽口高度為變量的電機電磁輸出性能和轉(zhuǎn)子溫度多目標優(yōu)化函數(shù),對槽口高度開