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高速永磁發(fā)電機(jī)具有體積小、噪音低、動態(tài)響應(yīng)快、功率密度大、傳動系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn),已成為微型燃?xì)廨啓C(jī)分布式供能系統(tǒng)的關(guān)鍵發(fā)電設(shè)備,滿足微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)朝著小型化和集成化方向發(fā)展的要求。作為便攜電源的發(fā)電設(shè)備,高速永磁發(fā)電機(jī)已廣泛應(yīng)用在軍事、醫(yī)療、礦山救助等領(lǐng)域；作為機(jī)械形式的不間斷電源(飛輪儲能)與化學(xué)儲能相比具有環(huán)境友好、壽命長等優(yōu)勢,可以廣泛應(yīng)用在航天、工業(yè)、通訊機(jī)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等領(lǐng)域。

高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速高、功率密度大,同樣造成了電機(jī)單位損耗相對較大,而且氣隙內(nèi)的高頻磁場將直接在護(hù)套和永磁體內(nèi)產(chǎn)生渦流,形成渦流損耗,增加了轉(zhuǎn)子的溫升；由于永磁體在高溫環(huán)境下易出現(xiàn)熱退磁問題,而且相同功率電機(jī)體積小,轉(zhuǎn)子散熱相對困難,轉(zhuǎn)子內(nèi)的渦流損耗將直接威脅高速永磁發(fā)電機(jī)的安全運(yùn)行,因此對于高速永磁發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗準(zhǔn)確計(jì)算及降低轉(zhuǎn)子渦流損耗方面的研究具有重要意義。針對定子背繞式繞組、轉(zhuǎn)子合金護(hù)套結(jié)構(gòu)的100kW級高速永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子渦流損耗開展了深入的研究,基于三維時(shí)步有限元計(jì)算方法,對高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗進(jìn)行了計(jì)算,深入研究了護(hù)套和永磁體內(nèi)渦流電密的分布規(guī)律；建立了轉(zhuǎn)子渦流損耗解析計(jì)算模型,對高速永磁電機(jī)護(hù)套和永磁體內(nèi)的渦流損耗進(jìn)行了解析公式推導(dǎo),并與三維有限元渦流損耗計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比,突出體現(xiàn)了解析計(jì)算方法的快速性、通用性以及變量間影響關(guān)系明確的優(yōu)勢；分別利用三維有限元計(jì)算與解析計(jì)算方法,分析了護(hù)套軸向分段和永磁體圓周方向分段對轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響關(guān)系,揭示了轉(zhuǎn)子分段在減小轉(zhuǎn)子渦流損耗方面的作用機(jī)理,并提出了轉(zhuǎn)子永磁體分段數(shù)量確定的依據(jù)與準(zhǔn)則,滿足高速永磁電機(jī)降低轉(zhuǎn)子渦流損耗的設(shè)計(jì)要求。在降低轉(zhuǎn)子渦流損耗方面,針對于轉(zhuǎn)子護(hù)套自身材料電磁特性對電機(jī)電磁場的影響進(jìn)行了深入的研究；在給出護(hù)套材料電磁特性的基礎(chǔ)上,研究了護(hù)套材料的改變引起的電機(jī)電磁場、轉(zhuǎn)子表面渦流電密及損耗的變化情況；基于電磁場透入深度理論,提出了合金護(hù)套轉(zhuǎn)子表面鍍銅的方法,解決了高速永磁電機(jī)護(hù)套高渦流密度的問題,并與現(xiàn)有的永磁電機(jī)銅屏蔽方法進(jìn)行了對比,驗(yàn)證了轉(zhuǎn)子表面鍍銅在降低轉(zhuǎn)子渦流損耗方面的優(yōu)勢。

建立了永磁電機(jī)等效磁路模型,提出了永磁體漏磁系數(shù)迭代收斂的方法來確定永磁體勵磁邊界條件,采用向量磁位對不同磁導(dǎo)率護(hù)套的高速永磁發(fā)電機(jī)空載感應(yīng)電動勢進(jìn)行了解析公式推導(dǎo)；改變永磁電機(jī)護(hù)套采用非鐵磁材料的思維,創(chuàng)新提出弱磁性護(hù)套高速永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式,充分發(fā)揮了弱磁性護(hù)套減小主磁路磁阻,提升永磁體工作點(diǎn),提高永磁體材料利用率的優(yōu)勢,探索研究了護(hù)套磁導(dǎo)率對發(fā)電機(jī)空載感應(yīng)電動勢的影響,得出了護(hù)套磁導(dǎo)率調(diào)磁特性曲線；對定子繞組磁動勢進(jìn)行面電流等效,基于磁場疊加原理,對發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)氣隙及轉(zhuǎn)子護(hù)套內(nèi)的磁場進(jìn)行了解析計(jì)算,根據(jù)坡印亭能量流傳定理,求出了護(hù)套磁導(dǎo)率不同時(shí),高速永磁發(fā)電機(jī)定轉(zhuǎn)子間能量流傳的大??；同時(shí)結(jié)合時(shí)步有限元計(jì)算方法,對比研究了護(hù)套材料磁導(dǎo)率的變化對電機(jī)磁場分布的影響,揭示了永磁體工作點(diǎn)隨護(hù)套磁導(dǎo)率的變化規(guī)律,全面系統(tǒng)地分析了高速永磁電機(jī)主磁通、漏磁通、永磁體工作點(diǎn)間的相互影響關(guān)系,確定了護(hù)套磁導(dǎo)率的優(yōu)化策略,zui大限度發(fā)揮弱磁性護(hù)套的優(yōu)勢；此外針對轉(zhuǎn)子護(hù)套電導(dǎo)率對轉(zhuǎn)子表面渦流損耗的影響進(jìn)行了研究,綜合諧波透入深度理論、渦流損耗影響因素,深入闡述了轉(zhuǎn)子表面渦流損耗隨護(hù)套電導(dǎo)率的雙因素非線性變化機(jī)理,獲取了轉(zhuǎn)子渦流損耗相對較大時(shí),轉(zhuǎn)子護(hù)套電導(dǎo)率的取值范圍。

建立電機(jī)電磁場與整流負(fù)載一體化仿真模型,構(gòu)建整流負(fù)載高速永磁發(fā)電機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng),對比研究三相橋式整流負(fù)載對電機(jī)電磁場的影響,結(jié)合傅里葉變換理論,對發(fā)電機(jī)輸出電壓和電流的諧波進(jìn)行了分析,給出了發(fā)電機(jī)整流負(fù)載運(yùn)行時(shí)電流的各次諧波占有率和電流諧波總畸變率；然后分別計(jì)算了發(fā)電機(jī)電阻性負(fù)載和整流負(fù)載運(yùn)行時(shí),電機(jī)轉(zhuǎn)子部分渦流損耗的變化,并對損耗變化的機(jī)理進(jìn)行了研究；此外對比分析了這兩種負(fù)載狀態(tài)下發(fā)電機(jī)輸出電壓的變化情況,通過對非線性負(fù)載功率因數(shù)的計(jì)算,揭示了發(fā)電機(jī)輸出電壓變化的機(jī)理。建立了高速永磁發(fā)電機(jī)的三維流體與溫度耦合計(jì)算模型,在電磁場損耗計(jì)算的基礎(chǔ)上,對發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子護(hù)套材料、轉(zhuǎn)子復(fù)合結(jié)構(gòu)、護(hù)套電磁特性、負(fù)載性質(zhì)對電機(jī)內(nèi)溫度場的影響進(jìn)行了研究,對比分析了不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)電機(jī)內(nèi)定轉(zhuǎn)子溫升變化情況,并給出了不同轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)下轉(zhuǎn)子永磁體溫度的分布,對防止高速永磁電機(jī)永磁體熱退磁具有重要的意義