高压高速电机通风与散热分析

针对YKS规格的高压高速电机单机容量高、局部温升大等特点,以1台YKS-560-2 3 000 kW规格的高压高速电机为例,依据电机实际尺寸,建立了电机端部绕组及定转子模型。采用有限元法对流体场与温度场进行了仿真,计算出电机运行时各个通风槽内冷却气体流动情况,并对电机整体进行流固耦合分析,得到高压电机端部绕组及定转子温度场分布。对仿真计算结果分析,并与样机试验数据比较,结果表明:流体场和温度场耦合的方法能够准确地了解YKS电机各个通风槽内的气体流动情况及电机内局部温升分布。     

电励磁双凸极发电机转子极宽对输出特性的影响

转子极宽对基于磁阻工作原理的电励磁双凸极发电机输出特性有重要影响。从原理上讨论了电励磁双凸极电机磁链变化范围与输出电压的关系,阐述2类气隙对电机磁链变化范围的影响作用。提出第3气隙概念并给出其定义,推导了第3气隙大小与转子极宽的数学关系,并指出第3气隙的大小对相绕组磁链最小值的影响作用较大。利用2维有限元法分析计算得到不同转子极宽下电机静磁场分布、相绕组磁链以及空载相电势波形;通过瞬态场路耦合分析得到不同转子极宽下电机负载状态相电势波形、整流输出电压平均值和纹波大小。原理样机的实验结果验证了有限元计算和场路耦合分析的正确性。表明定转子极宽相等即第3气隙最大时电励磁双凸极电机输出功率大且输出电压波动小。     

高速永磁电机的损耗计算与温度场分析

高速电机由于转速高和绕组电流频率高,单位体积定子的铁耗和铜耗、转子的高频涡流损耗和表面空气摩擦损耗,与具有常速的普通电机相比皆有较大的增加。同时,由于功率密度的增加和总体散热面积的减小,有效的散热和冷却方式是高速电机设计中的一个重要问题。本文基于磁场有限元和3D流体场分析,对高速永磁电机的基本电气损耗、高频附加损耗和转子空气摩擦损耗进行了分析,并以一台额定转速为60 000r/min的高速永磁电机为例,进行了高速电机损耗的计算及测试方法研究;基于流固耦合分析对高速永磁电机的温升进行了计算,通过对一台高速永磁电机温升计算值与实验结果的比较,验证了高速永磁电机温升计算方法的有效性。     

背绕式定子绕组高速永磁电机三维端部区域电磁场分析与计算

以一台117kW、60000r/min背绕式定子绕组的高速永磁同步发电机为例,建立电机三维电磁场全域数学模型,给出了求解域内的基本假设及相应的边界条件;采用有限元法,计算了电机空载及额定负载状态下端部区域的磁密分布,并与部分实测数据进行了对比。同时,以气隙磁密为主要研究对象,定量分析气隙磁密在端部区域的变化情况,然后对发电机端面附近区域的转子护套、气隙、定子齿顶及定子轭部磁密径向分量和轴向分量进行分析,给出了磁密径向分量和轴向分量沿电机轴向的变化曲线。最后,对高速永磁同步发电机不同转速下背绕式定子绕组端部漏磁场进行计算,研究端部漏磁随转速的变化关系。得到了一些有益的结论,为深入研究高速永磁电机提供了理论依据。     

高速永磁电机流体场与温度场的计算分析

为了研究中小型高速永磁电机内部流体场与温度场分布规律,以一台15k W,30000r/min内置式高速永磁电机为例,基于计算流体力学和传热学理论建立了三维流体场与温度场的物理模型,应用有限体积法对流体场与温度场进行耦合计算,得到了电机内空气的流动特性与各部件的温度分布规律。针对高速电机运行时转子表面空气摩擦损耗大的问题,基于所建立的3D流体场模型,分析了转子转速、转子表面粗糙度对空气摩擦损耗的影响。研究结果表明,高速永磁电机端腔空气的流动性差,加之空气摩擦损耗的影响,导致转子温升较高,且转子转速、转子表面粗糙度对空气摩擦损耗有着重要影响。     

永磁同步电机全域温度场分析与水道优化设计

以额定功率为60 k W永磁同步电机(PMSM)为研究对象,采用气隙等效导热系数处理定转子间的热交换问题。给出散下线定子绕组的等效热模型。在进行绕组铜耗计算时考虑温升对定子绕组阻值的影响,试验测定壳体与定子铁心间因装配间隙而产生的热阻值。在此基础上建立PMSM三维全域瞬态温度场有限元模型,计算电机在峰值转速运行时的温度场变化,并进行试验验证。对水道宽度比、水道数和翅片进行优化计算,找出最优解。结果表明,水道优化后电机最高温度下降9.8℃,对电机水道结构设计具有一定的指导意义。     

基于定子绕组并联支路环流特性的发电机故障识别方法

分析了发电机气隙磁势、磁导、磁密、定子绕组两条并联支路的感应电势和电路方程,得到定 子绕组并联支路间的电压差表达式。通过分析正常及故障运行时各参数的变化得到了并联支路电 压差和环流特性,理想电机在正常运行时不存在电压差和环流,而转子绕组短路故障将引起二次谐 波环流,定子绕组短路、定转子气隙静偏心、气隙动偏心故障将引起基波环流。由于不同故障引起 的环流特性存在差别,提出了基于定子绕组并联支路环流特性的发电机故障识别方法,并实测了 SDF-9型故障模拟发电机正常及故障运行时的环流信号,与理论分析结果基本吻合。     

鼠笼感应电机转子断条和端环开裂的故障诊断和参数计算

该文采用磁导分析的方法，通过对定转子绕组中单元绕组的分析，研究气隙磁场。考虑气隙高次谐波的影响，从而导出定转子三相绕组的参数计算，为转子故障时的电流分析计算，提供理论基础和计算方法。该文分析了转子导条断条和端环开裂故障时的物理模型，给出了电机的定转子绕组的参数计算表达式，从而导出转子故障时的电流和频谱分析。该文对电机在dqn任意速坐标系中，电机在故障时定子电流的轨迹，为电机的故障诊断和在线监测提出了一种新的方法。较以往的电流监测方法更有利于克服边频带的影响。     

1.12MW高速永磁电机多物理场综合设计

高速电机设计时即要满足电磁性能要求,又要满足机械特性的要求,还需满足冷却与温升的要求,因此高速电机的设计是一个多物理场迭代综合设计过程。针对高速电机的多物理场一体化设计过程,本文基于电磁场-转子强度-转子动力学-流体场与温度场等对一台1.12MW,18 000r/min的高速永磁电机进行了综合设计,在多物理场仿真分析的基础上,得到了满足电磁性能、转子强度、临界转速和电机温升的综合设计结果,并加工了一台样机,进行了电机性能实验、转子机械特性实验以及温升实验,实验结果与计算结果相吻合,验证了本文仿真分析与设计方法的可行性,对大功率高速永磁电机的设计与发展具有一定的借鉴意义。     

SPWM逆变器供电永磁同步电机共模模型研究

SPWM逆变器在工作时产生共模电压,会诱发电机轴电压,引起轴电流,可能损坏电机轴承。文章运用JMAG-designer软件建立了永磁同步电机模型和轴承模型,对电机内部的耦合电容和轴承电容进行计算,重点针对电机内部几何尺寸和端部绕组对耦合电容的影响进行研究。结果表明:气隙宽度和槽口宽度对定、转子之间耦合电容Crf影响很大,但齿顶高和绕组绝缘厚度对其影响可忽略不计;气隙宽度、齿顶高、绕组绝缘厚度和槽口宽度均对定子绕组和转子之间的耦合电容Csr有一定影响;槽口宽度和定子绕组绝缘厚度对定子绕组和定子之间的耦合电容Csf有影响;Csf和Csr的大小与端部效应有很大关系。上述结论对进一步深入研究永磁同步电机轴电流具有重要参考价值。     

平面气隙和定转子可分离的无铁芯电机

电机的常规结构为由一定转子装成整体的独立单元,它具有园筒气隙和用以提高效率的铁芯。随着科学技术的日新月异和高矫顽力硬磁材料在微电机领域的广泛应用,电机结构形式便发生了变化。先出现了平面气隙的印刷绕组电枢直流电动机和定转子可分离的旋转变压器等,而平面气隙和定转子可分离的无铁芯电机结构形式是近若干年来才出现的,定转子的安排和印刷绕组直流电动机中的正好相反,转子是硬磁材料做的磁极,三相绕组安在定子上,因此是一种无刷电机。它的特征是结构简单,另部件少,制造方便,工艺性好。这样便可显著降低电机成本。     

高速永磁电机的设计与磁热耦合温升计算

高速永磁电机转速高、体积小,因此其温升计算相较于常规电机更为重要。针对此问题,设计一台150kW的高速永磁电机,以有限元法和解析法对高速电机的各部分损耗进行计算。建立电机的温升分析模型,在有限元流体场进行电机三维温升计算、应用磁热耦合的分析方法对所设计电机进行温升分析,分别进行单向和双向的耦合温升计算,计算结果表明耦合温升计算与流体场温升计算所得的温升分布存在一定差异。相较于常规温升计算,磁热耦合温升计算可以更为准确地得到高速永磁电机的各部分的温升情况,保证电机更为安全可靠地运行。     

水冷感应电机不同运行状态下的稳态温度场分析

针对微型电动车用电机额定电流大导致的温升高问题,建立水冷感应电机三维稳态温度场有限元模型.计算了电机额定负载运行温升稳定时,定、转子的温度分布;计算不同负载运行时电机定子轭部及绕组温度变化.由分析结果可见,温升稳定后,转子导条温度最高,转子区域温升高于定子区域;随着电机运行转矩、转速的增加,电机各部分温升随之增大.搭建了电机温升实验平台,所得实验结果与数值计算结果对比,验证了所建模型的合理性.     

高速永磁电机转子空气摩擦损耗研究

高速电机旋转速度每分钟数万转甚至高达数十万转,其转子表面的空气摩擦损耗要比普通电机高得多,在总损耗中占有较大比例。转子表面的空气摩擦损耗与电机转速、气隙结构及转子表面粗糙度等多种因素有关,很难通过理论分析和解析方法准确计算。基于3D流体场模型,对高速永磁电机的转子空气摩擦损耗与电机转子转速、表面粗糙度及轴向风速的关系进行了分析,并针对一台额定转速60000r/min的磁悬浮转子高速永磁电机,进行了转子空气摩擦损耗的计算及测试方法研究。通过电机空载试验,根据转子空气摩擦损耗和定子铁耗与电机转速之间的关系,可将空气摩擦损耗从总损耗中分离出来。实验结果和计算值一致,表明基于流体场分析的高速电机转子空气摩擦损耗计算方法是有效的。     

基于定子绕组并联支路环流特性的发电机故障识别方法

分析了发电机气隙磁势、磁导、磁密、定子绕组两条并联支路的感应电势和电路方程，得到定子绕组并联支路间的电压差表达式。通过分析正常及故障运行时各参数的变化得到了并联支路电压差和环流特性，理想电机在正常运行时不存在电压差和环流，而转子绕组短路故障将引起二次谐波环流，定子绕组短路、定转子气隙静偏心、气隙动偏心故障将引起基波环流。由于不同故障引起的环流特性存在差别，提出了基于定子绕组并联支路环流特性的发电机故障识别方法，并实测了SDF-9型故障模拟发电机正常及故障运行时的环流信号，与理论分析结果基本吻合。     

1100MW核电汽轮发电机径向气隙隔板阻力特性研究

1100MW核电汽轮发电机径向气隙隔板设置于该发电机励端定子端部与转子护环之间,这样可增大转子线圈及定子铁心的冷却风量,降低定、转子温升,但是隔板高度过高又会导致发电机总风量和风扇压头的大幅度变化,对发电机的温升和安全运行有一定的影响。通过CFD软件对气隙入口段建立数值模型,得到了发电机气隙隔板阻力随高度的变化关系。通过通风计算程序,得到了气隙隔板高度对发电机总风量、风扇压头、定转子风量的影响关系,推荐了较合适的气隙隔板高度范围,型式试验表明,计算的结果保留了一定的裕度,气隙隔板高度的选取是合理的。     

大型汽轮发电机转子全电流试验磁场分析

新设计的大型汽轮发电机在出厂前,必须要进行型式试验,其中很重要的一项就是转子全电流温升试验,了解转子绕组在额定励磁电流下的温度分布情况,保证设计的可靠性。本文采用二维有限元法对大型汽轮发电机转子全电流试验进行电磁场仿真,分析气隙磁场、铁心发热及定子电压情况,表明通过将部分转子绕组反接可有效抵消转子磁场,减小电机端电压及定子铁心损耗,为电机试验提供理论支撑。     

通风道型定向磁性槽楔在高压电动机上的应用

1982年以来,在厂用高压异步电动机上应用磁性槽楔已达20台,节电效益显著,但是在大容量的给水泵电机上(JKz-200-Z型)改用异型定向磁性槽楔还是首次尝试.高压异步电动机铁芯采用开口槽,整个电动机定转子气隙磁阻不均匀,齿部磁阻小,槽部磁阻大,因而运行中气隙磁密分布很不均匀,使电机转子表面损耗和脉动损耗增加,不但使铁芯和绕组温升增加,而且影响了电机的绝缘寿命.因此改用磁性槽楔后,对降低电动机气隙磁导的不均匀性,减小气隙磁通齿谐波,从而对降低附加损耗是很有效的.但是由于JKz系列电动机设计特殊,即定转子间单边气隙大,约为4mm,且定子槽口留有高约20mm     

方块脉冲函数用于隐极式电机气隙磁场和绕阻电感的分析计算

在隐极式结构的电机中,气隙磁场沿圆周的分布波形实际上是多级等宽阶梯状的周期波形。文中采用新型二值正交函数——方块脉冲函数级数作为数学工具,取代传统上沿用的正、余弦函数级数,对这种波形进行分析,得出了烧组建立的气隙磁势分布波形与绕组导体的槽分布规律间的简明关系式。在此基础上,进一步导出了按绕组导体的槽分布规律直接计算绕组的自感和互感的精确公式,并且证明了定、转子绕组间的互惑随转子位置偏移而变化的规律,恰好与定、转子绕组各自建立的气隙磁势波形间的互相关函数相一致。这些研究成果为采用新方法计算交流电机绕组的差漏电抗和设计特种函数旋转变压器提供了理论基础。     

发电机转子匝间短路故障电磁场数值分析研究

掌握气隙磁场的分布情况，是实现转子绕组匝间短路故障诊断的重要手段。考虑到短路故障会引起绕组电路拓扑结构的改变，本文通过机理分析推导，得到气隙磁场、定子电流、电磁转矩等一系列电气量的变化特征，并采用有限元数值分析法对故障状态的电磁场及电磁特性进行研究。以一台同步发电机为例，首先建立二维场路耦合有限元电磁场计算模型，通过仿真分析对比了电机额定工况时发生短路故障前后磁场分布的差异；然后对匝间短路故障下产生在电机气隙磁密中不同频率的谐波、定子支路中的电流及电机电磁转矩的变化规律进行了深入分析；最后重点针对故障对电机运行性能的影响进行了探讨。本文可为同步发电机早期故障诊断提供理论依据，为工程实际提供参考。