100kW级高速永磁电机研制

摘要：本文介绍100kW级高速永磁电机的设计特点,建立了高速永磁电机数学模型，完成了100kW级高速永磁电机强度与电磁计算。在此基础上，进行了高速永磁电机设计制造与电动、发电状态的工程试验。

关键词：电磁计算 转子 定子 高速永磁电机

1、引言

微型燃气轮机发电技术是21世纪能源、动力系统中的核心关键技术，高速永磁电机在微型燃气轮机中起到了起动发电机的作用是其重要组成部分，该课题来源于国家“863”重大专项——100kW级微型燃气轮机及其供能系统。

2、高速永磁电机结构特点

高速永磁电机主要由定子、转子、壳体、滚动轴承及其他附件组成。电机两端采用弹性支承的高速角接触球轴承，并采用喷油润滑方式对轴承进行润滑和冷却。角接触球轴承可同时承受径向载荷和轴向载。弹性支承的作用主要是用于调整临界转速，并用来设置减振油膜。

3、高速永磁电机数学模型

分析高速永磁电机性能，最常用的方法是dq数学模型，本文中不同坐标下电机数学模型间的变换基于以下两个基本原则：

(1)电机电枢绕组在不同坐标下的合成磁势大小相等、方向相同；

(2)电机模型变换前后遵循功率不变原则。

ABC到dq变换

(1)

αβ到dq变换

(2)

高速永磁电机的dq数学模型如图1所示，直轴即d轴与转子磁链向量φm同向，而交轴与高速永磁电机反电动势E0向量同向。

图1 HSPMG空间矢量图

高速永磁电机的dq数学模型的建立是基于以下假设的：

(1)忽略电机电枢铁芯内部磁场饱和；

(2)不考虑电机的涡流损耗和磁滞损耗；

(3)电机流过电流为三相正弦波电流；

(4)转子上没有阻尼绕组和启动绕组，永磁体没有阻尼作用。

基于上述条件，高速永磁电机电压方程、电磁转矩方程以及机械运动方程分别如下:

电压方程：

(3)

(4)

电磁转矩方程：

(5)

机械运动方程：

(6)

(7)

Ld、Lq和三相稳态运行时的直轴和交轴同步电感相等，Rd=Rq=Ra。

图1中，取d轴为实轴，q轴为虚轴，则该复平面内，电流空间矢量为：

(8)

dq轴电流的分量为

(9)

(10)

将上两式代入（6）有：

(11)

电流空间矢量与q轴夹角为β，当电流空间矢量位于第二象限时，也即0≤β≤900时，电机处于电动状态，如果电流空间矢量位于第三象限，也即900≤β≤1800时，电机处于发电状态，转矩公式(5)和(11)表明电机转矩包含两项：第一项为永磁转矩，第二项为磁阻转矩。如果电流空间矢量位于第二象限，磁阻转矩为正转矩，位于第三象限，磁阻转矩为负转矩。

4、高速永磁电机设计制造与试验研究

对于高速永磁电机来说，永磁转子的设计要统筹考虑电磁和机械性能两方面的要求，即永磁转子需要为定子绕组提供足够强的旋转磁场，同时永磁转子本身又要承受高速旋转产生的巨大离心力。保护永磁体的方法之一，是在永磁体外面加一高强度非导磁保护套，永磁体与保护套间采用过盈配合。特别需要指出的是转子加工采用整体充磁方式以提高动平衡精度。另外电机定子采用环绕下线减小整个电机的轴向长度，有利于转子稳定运行。

根据研制要求，建立了高速永磁电机电动试验台,在试验过程中分别监测了驱动系统参数、电机定子绕组温度、转子轴心温度以及电机瀑布图。发电状态试验结合100kW微型燃气轮机整体进行。加载试验后测量转子表面磁感应强度发现较设计值偏低，而且比加载前低。近期正在进行改进设计，拟增加磁钢厚度同时缩小转子芯轴尺寸，原则上不改变转子的外形尺寸，以保持该转子原有的转子动力学特性。

参考文献

[1] 王秀和等编著.《永磁电机》.中国电力出版社．

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