高速永磁电机的机械和电磁特性研究.pdf

沈阳工业大学博士学位论文高速永磁电机的机械和电磁特性研究姓名：王继强申请学位级别：博士专业：电机与电器指导教师：王凤翔20061028沈阳工业大学博士学位论文摘要本课题是国家自然科学基金重点资助项目“微型燃气轮机一高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”0 0 4 3 7 0 1 0)的部分研究内容。高速电机的体积小、功率密度大和效率高，正在成为电机领域的研究热点之一。高速电机的主要特点有两个：一是转子的高速旋转，二是定子绕组电流和钓D 中磁通的高频率，由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。本文针对高速永磁电机的机械与电磁特性及其关键技术进行了深入地研究，主要包括以下内容：首先，进行了高速永磁电机转子的结构设计与强度分析。根据永磁体抗压强度远大于抗拉强度的特点，提出了一种采用整体永磁体外加非导磁高强度合金钢护套的新型转子结构。永磁体与护套之间采用过盈配合，用护套对永磁体施加的静态预压力抵消高速旋转静D 力产生的拉应力，使永磁体高速旋转时仍承受一定的压应力，从而保证永磁转子的安全运行。基于弹性力学厚壁筒理论与有限元接触理论，建立了新型高速永磁转子应力计算模型，确定了护套和永磁体之间的过盈量，计算了永磁体和护套中的应力分布。该种转子结构和强度计算方法已应用于高速永磁电机的样机设计。其次，进行了高速永磁转子的刚度分析和磁力轴承转子系统的临界转速计算。基于电磁场理论分析了磁力轴承支承的各向同性，利用气隙静态偏置磁通密度计算了磁力轴承的线性支承刚度，在对高速电机转子结构离散化的基础上建立了磁力轴承转子系统的动力学方程，采用有限元法计算了高速永磁电机转子的临界转速。利用该计算方法设计的l 台采用磁力轴承的高速电机，已成功实现6 0 0 0 0 f r a i n 的运行。再次，进行了高速永磁电机的定子设计，提出了一种新型环形绕组结构。环型绕组线圈的下层边放在定子踟凸的6 个槽中，而上层边分布在定子铷厶轭部外缘的2 4 个槽中，不但增加了定子表面的通风散热面积，使冷却气流直接冷却定子绕组，更为重要的是，解决了传统2 极电机绕组端部轴向过长的难题，使转子轴向-1 镀T k 为缩短，从而增加了高速永磁电机转子系统的刚度然后，采用场路耦合以及解析与实验相结合的方法，分析计算了高速永磁电机的损耗和温升，并对高速永磁发电机的电磁特性进行了仿真。高速电机的优点是体积小和功率密度大，然而随之而来的缺点是单位体积的损耗大，以及因散热面积小造成的散热困难。损耗和温升的准确计算对高速电机的安全运行至关重要。为了准确计算高速电机的高频铁耗，对定子铁心所采用的各向异性冷轧电工钢片制作的试件，进行了不同频率和不同轧制方向的导磁性能和损耗系数测定。然后采用场路耦合的方法，分析计算了高速电机的定子铁耗和铜耗、转子护套和永磁体内的高频附加损耗以及转子表面的风磨损耗。在损耗分析的基础上，计算了高速电机的温升。最后，设计制造了一台额定转速为6 0 0 0 0 f r a i n 的高速永磁电机试验样机，并进行了初步的试验研究。测量了电机在不同转速下空载运行时的定、转子温升及定子绕组的反电动势波形。通过与仿真结果的对比，部分验证了高速永磁电机理论分析和设计方法的正确性。在此基础上，提出一种高速永磁电机的改进设计方案，为进一步的研究工作打下了基础。关 l l l V 3=高速永黛t 电机，转子强度，临界转速，场路耦合，损耗，温升一I I 沈阳工业大学博士学位论文A b s t r a c tmr e s e a r c hw o r ko f t h i sd i s s e r t a t i o ni sap a r to f t h e 喇慨d i s m b u t e dh i 曲s p e e dg e n e r a t o rs y s t e md r i v e nb ym i c r o-t u r b i n e sa n di t se n a t g yc o n v e r s i o ns y s t e m ,w h i e hi ss u p p o r t e db yt h eN a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no f C h i n a 1 h cI l i 曲s p e e dg e n e r a t o r,d u et 0i t ss m a l lv o|u m e,h i g he f f i c i e n c ya n dg r e a tp o w e rd e n s i t y,i sO l l eo ft h eg r e a tc o r l e e l-n si ne l e c t r i c a le n g i n e e r i n g T w om a i nf e a t u r e s：t h eh i 曲r o t a t i n gs p e e do ft h er o t o ra n dt h eh i【g hf l e x l u e n e yo ft h ew i n d i n gc u 玎期吐a n dt h es t a t o rC O l f l u x d e t e r m i n et h eu n i q u et e c h n o l o g yo ft h eh i 曲s p e l lg e n e r a t o r I nt h i st h e s i s，t h em e c h a n i c a la n de l e c t r o m a g n e t i cp e r f o r m n 嘲a n dc o r r e s p o n d i n gk e yt e c h n o l o g yo ft h eh i g hs p e e dp e r m a n e n tm a g n e tm a c h i n ea l et h o r o u g h l yi n v e s t i g a t e d n l cm a i nc o n t e n t sa mI i s t e d 骶f o I I o w s：F i r s t l y,t h es l r u e t t nd e s i g na n ds t 瑚g t ha n a l y s i so ft h eP Mr o t o r 勰c a r r i e do u t An e wt y p eo f r o t o r,w h i c hi sm a d eo f a ni n t e g r a lP Me n c l o s e di nf t n o n m a g n e t i ch i g hs t m l g t ha l l o y,i sb r o u g h tf o r w a r df o rt h a tt h eP MC O I l l db e a rl i t t l et e n s i i es 雠蟠b u tg r e a tp r e s s u r e T oi n s u r et h eP Mr o t o r ss a f e t y,t h ei n t e r f e r e n c ef i tb e t w l e c nt h eP Ma n dt h ee n c l o s u r em u s tb ec a r e f u l l yc h o s e nf o r t h eo r e-p r e s s u r em u s tb eg r e a t e rt h a nt h ec e n t r i f u g a lf o r c eS Ot h a tt h eP Me,O U l ds t i Ub e a rs o m ep r s u r ew h e nt h er o t o ri sr u n n i n ga tt h er a t e ds p e e d B a s e do nt h ee l a s t i ct h i e kw a l It h e o r ya n dt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d,t h es 订e s sm o d e li sb u i l tu p,t h ei n t e r f e r e n c ev a l u ei sd e t e r m i n e da n dt h eS l I e S Sd i s t r i b u t i o ni sc a l c u l a t e d T h er o t o rs t r u c t u r ea n ds l r e c a l c u l a t i o nm e t h o dh a v eb e e na p p l i e dt ot h eh i g l Is 博dP Mm a c h i n ep r o t o t y p ed e s i g n S e c o n d l y,t h er o t o rs t i f f n e s sa n a l y s i sa n dt h ec r i t i c a ls p e e d so f t h er o t o rs y s t e ms u p p o m x lb yt h em a g n e t i cb e a r i n ga r ec a l c u l a t e d 1 1 1 es u p p o r t i n gi s o l x o p yo ft h em a g n e t i cb e a t i n gi sa n a l y z e db a s e do nt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l da n a l y s i sa n dt h es u p p o r t i n gs t i f f a l e s so ft h em a g n e t i cb e a r i n gi sc a l c u l a t e du s i n gt h es t a t i cm a g n e t i cf l u xd e n s i t yi nt h ea i r-g a p T h e nt h ed y n a m i ce q u a t i o n so fr o t o rs y s t e ms u p p o r t e db yt h em a g n e t i cb e a r i n g s8 1-eb u i l tu pa n dt h ee r i t i c a ls p e e d s 黜c a l c u l a t e db yt h ef m 沁e l e m e n tm e t h o d 1 h ec a l c u l a t i o nm e t h o dh a sa p p l i e dt od e s i g nah i g l ls p e e dP Mm a c h i n eu s i n g 删l 伊甜cb e a r i n g sa n dt h ep r o t o t y p em a c h i n eh a sb e e nr u n n i n gs u c c e s s f u l l ya t6 0 0 0 0 f r a i n 1 1 I i r d l y，血es t a t o l d e s i g ni se n g a g e da n dan e wt y p eo fs t a t o rr i n gw i n d i n g si sb r o u g h tf o r w a r d 1 1 伧l O W e l l a y e r s o f t h es t a t o l w i n d i n g s a l e f i x e d i n t h e i n n e r s i x s l o t s o f t h es t a t o r c o r e a n dt h eu p p 盯l a y e r sa r cf i x e di nt h eo u t e r2 4s l o t so f t h es t a t o ry o k e 1 1 他r i n gw i n d i n g si n c r e a s en o to n l yt h ec o o l i n ga n 潞b u ta l s ot h ec o o l i n ge f f i c i e n c yf o rt h ec o o l i n ga i rc o u l dg ot h r o u g ht h ew i n d i n g s s u r a e e sd i r e c t l y M o r ei m p o r u m t,t h ea x i a le n do ft h er i n gw i n d i n gi sm u c hs h o r t e rt h a nt h a to f t h et r a d i t i o n a l2 p o l ew i n d i n g s，w h i c hr e d u c e st h er o t o rs t i f f l e S Sg r e a t l y F o u r t h l y,t h ee l e c t r o m a g n e t i cp e r f o r m a n c x so ft h eh i g hs p e e dP Mm a c h i n ea l es i m u l a t e dI l l s i n gf i e l da n dc i r c u i te o u p l e dm e t h o d T h el o s sa n dt h es t a t i o n a r yt e m p e r a t u r er i s eo f t h eh i 西s p e e dP Mm a c h i n ea a n a l y z e d 1 1 1 em a i na d v a n t a g e so ft h eh i g hs p e e dm a c h i n ea l es i n a i lv o l u m ea n dg r e a tp o w e rd e n s i t y H o w e v e l ,t h ec o o l i n gp r o b l e mi sm o s e r i o u sd u et ot h e-I I I-g r e a t e rl o s sp e rv o l t w n ea n dt h es m a l l e rc o o l i n ga r c a s E x p e r i m e n ti Sd o n et ot e s tt h em a g n e t i cp r o p e r t i e sa n dl o s sc o e f f i c i e n to ft h es t e e ll a m i n a t i o nf o rd i f f e r e n tf r e q u e n c i e sa n dd r e c t i o n s T h ei r o n1 0 踞，c o p p e r1 0 S S a i rf r i o r i o nl o s so nt h er o t o rs u r f a c ea n dt h el O S S 2 Si nt h er o t o ra r cc a l c u l a t e d T h e n,t h es t a t i o n a r yt e m p e r a t u r er i s eo ft h em a c h i n ei sc a l c u l a t e du s i n gf m i t ee l e m e n tm e t h o d F i n a l l y,ah i g hs p e e dP Mp r o t o t y p ew i t hr a t e ds p e e do f 6 0 0 0 0 r r a i nh a sb e e nm a n u f a c t u r e da n dt e s t e d 卟eb a c kE o ft h es t a t o rw i n d i n ga n da b et e m p e r a t u r er i s eo ft h em a c h i n e 勰m e a s u r e da td i f f a e n ts p e e d s 8 yc o m p a r i n gt h et e s tr e s u l tt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t,t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g m e t h o do f t h eh i 曲s p。c dP Mm a c h i n ea r cp a r O yp r o v e dt ob ec o r J n g C LB a s e do nt h es 蜮an c ws t r u c t u r eo f h i g hs p e e dP Mm a c h i n ei sp r o p o s e d K e yW o r d s：r a g ss p e e dP l V ln m e h i n e,R o t o rs t r e n g t h，C r i t i c a l,p e e d，F i e l d-c i r c u i tc o u p l e dm e t h o d，L o s s,T e m p e r a t u r er i s eI V 独创性说明本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特j l l J)j i l 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。签名：互继日期：t!Z 至：!关于论文使用授权的说明本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，1 1 f I 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。签名：j 乙越导师签名：弓砸日期：士坚兰：!竺沈阳工业大学博士学位论文第一章绪论1 1 课题的来源及意义二十世纪初以来电力行业流行观点是：发电叽组容量越大，则效率越高，单位k W投资越低，发电成本也越低。因此，电力工业发展方向是“大机组、大电厂、大电网”。近2 0 年来，我国电力工业发展迅速。1 9 8 2 年，全国总装机容量为7 2 M W，年发电量为3 2 1 0 1 1 k W h，到2 0 0 2 年底，全国发电装机容量突破3 5 0 M W 大关，全国共完成发电量1 6 1 0 1 2 k、V h。目前，我国电力工业居世界第二位【“。随着电力工业的发展，发电厂的装机容量在不断扩大，单机容量为2 0 0 M W、3 0 0 M W、6 0 0 M W 的机组已成为我国电网的主力机型。从电网方面看，电压等级越来越高，输送距离越来越远，我国仅跨省连接的大电网就有6 个(即：华北电网、东北电网、华东电网、华中电网、南方电网和西北电网1。在不远的将来，将形成以三峡电站为中心的全国性联合电网。尽管如此，由于我国幅员辽阔，电力发展及分布很不均匀，而经济发展又极不平衡，偏远地区用电困难，中心城市用电高峰期电力供应不足的情况仍很严重。集中发电、远距离输电和大电网互联的电力系统是目前电能生产、输送和分配的主要方式，正在为全世界9 0 以上的电力负荷供电。这种集中供电方式，对不同地区的用户共享电力资源，缓解局部地区电力紧张是十分有利。但这种模式并非没有缺点，如：电力输送所需要的成本随着输电距离的增加而增大；电能在输送过程中存在着损耗；电力需求随时问、季节的不断变化，造成电力生产与用户需求不协调等等。另外，集中式供电模式面临的更为严重的问题是：一旦供电中枢或电力网出现故障，所造成的经济损失将难以估量。而且这种大电网又极易受到战争或恐怖势力破坏，严重时将危害国家安全；另外集中式大电网还不能跟踪电力负荷变化，而为了短暂的峰荷建造发电厂花费巨大，且经济效益也非常低。采用分布式供电系统作为辅助手段，可以较好地解决这些问题 2-5 分布式发电1 9 7 8 年美国公共事业管理政策法(P U R R A)公布后正式先在美国推广，然后被其它先进国家接受。分布式供电是指将发电系统以小规模、分散方式布置在用户附近，可独立地输出电能、热能或(和)冷能的系统。当今分布式供电方式主要是指用液体或气体燃料的内燃机O c)、微型燃气轮机(M i c n 曲i n 神和各种工程用的燃料电池(F u e lC e l l)。因其具有良好的环保性能，分布式供电电源与“小机组”己不是同一概念。与集中式供电模式相比，分布式供电具有许多优点，如：不需远距离输配电设备，输电损失显著减少：可利用排气热量实现热、电联产或热、电、冷三联产，提高能源利用率：可以弥补大电网在安全稳定性方面的不足，在电网崩溃和意外灾害情况下，可维持重要用户的供电；分布式供电系统体积小，各电站相互独立，非常适合对农村、牧区、山区以及发展中地区提供电力，也可作为军用车载或舰载电源；用户可根据时间、季节变化自行控制供电系统的工作，缓解电力生产与用户需求的不协调等等。与集中供电电站相比，分布式供电具有以下优势：没有或很低的输配电损耗；无需建设配电站，可避免或延缓增加的输配电成本：适合多种热电比的变化，可使系统根据热或电的需求进行调节；土建和安装成本低；各电站相互独立，用户可自行控制，不会发生大规模供电事故，供电可靠性高；可进行遥控和监测区域电力质量和性能；非常适合对乡村、牧区、山区、发展中区域及商业区和居民区提供电力：大量减少了环保压力1 6-7 1。纵观西方发达国家电力工业的发展过程，可以发现：电力工业的发展经历了从分布式供电到集中式供电，又到分布和集中相结合的供电方式的演变。造成这种现象不仅仅是由于生活水平提高的需求，而且也是集中式供电方式自身所固有的缺陷造成的。毋庸置疑，随着社会的发展，我国电力工业也将面临类似的问题。虽然，从目前电力工业的发展情况来看，集中式供电仍是我国电力工业发展的主要方向，但从长远看，只有合理地调整供电结构、有效地将分布式供电和集中式供电相结合，才能构架更加安全、稳定的电力系统妒“1。以化石能源为能源动力的分布式供电方式多种多样，随着微型燃机技术的不断完善，微型燃气轮发电机(M i c r o-T u r b i n eG e n e r a t o r)M T G 已成为目前最成熟、最有商业竞争力的分布式发电设掣1 2 1 3 1，也是目前国际上分布式供电系统的主要发展方向，有可能成为2 l 世纪能源技术的主流1 1 t 堋。由微型燃气轮机直接驱动内置式高速发电机，发电机与压气机、透平同轴，转速在5 0 0 0 0 r m i n 1 2 0 0 0 0 r m i n 之间。高速发电机发出高频交流电，经电力变换系统转换成直流电后，再转换为5 0 岿8 0 V 的交流电供用户使用。这样不仅简化了结构，使整台发电一2 一沈阳工业大学博士学位论文机组体积显著减小，重量减轻，而且也使系统的-j-靠性得到了提高。这种将微型燃气轮机与发电机组合为一整体的设计理念，使微型燃气轮发电机获得强大的生命力【1 6 1 9 。目前，开发研制微型燃气轮发电机的厂商主要集中在北美和欧洲。中国石油天然气蕴藏丰富，但是分布不均衡，西部储量大，而且人口居住分散，大电网不易覆盖，在这些地区建立分布式发电厂，就会节省投资，降低能源损耗，所以微型燃气轮发电系统在未来我国电力、动力等国民经济领域和国家安全等方面具有重要作用和战略意义。研究微型燃气轮机驱动高速发电机技术具有十分重要的现实意义。高速电机的研究目前正在成为国际电工领域的研究热点之一。由于转速高，电机的功率密度大，其几何尺寸远小于输出功率相同的中低速电机，可以有效地节约材料；由于高速电机的转动惯量较小，所以动态响应较快：高速电机可与原动机或负载直接相连，省去了传统的机械变速装置，因而可减小噪音和提高传动系统的效率。特别是永磁电机由于其结构简单，力能密度高、无励磁损耗和效率高等优点，最适合用于中、小型高速发电机捌。高速电机由于具有转速高、电机尺寸小、功率密度大、效率高等显著优点，在以下各方面具有广阔的应用前景。(1)高速电动机在空调或冰箱的离心式压缩机、储能飞轮、纺织、高速磨床等诸多场合得到广泛应用蹦2 5】，而且随着科学技术的发展，特殊要求越来越多，它的应用会越来越广泛。(2)在混合动力汽车、航空、船舶等领域具有良好的应用前景1 2 6 1。随着汽车工业混合动力汽车的发展，体积小、重量轻的高速发电机将会得到充分的重视，并广泛应用于欧美国家的军工领域。(3)在分布式发电系统中具有广阔的发展前景【体嘲。由燃气轮机驱动的高速发电机体积小，具有较高的机动性，可用于医院、宾馆及其它重要设施的备用电源，也可作为独立电源或小型电站，弥补集中式供电的不足，具有重要的实用价值。然而在我国，微型燃气轮机发电技术仍处于研制阶段，一些科研机构、高等院校以及部分航空发动机制造公司正在开展相关技术的研究。2 0 0 2 年由哈尔滨东安公司和中科院工程物理研究所、西安交通大学等单位组成的联合体承担了国家8 6 3 计划重大专项一3 一高速永磁电机的机械和电磁特性研究课题微型燃气轮机发电机设计与研发，计划推出具有自主知识产权的国产微型燃气轮发电机组。由沈阳工业大学、南京航空航天大学和浙江大学共同承担的国家重点自然科学基金项目“微型燃气轮机一高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”也已正式启动。这些表明，我国也正在积极致力于独立研制开发微型燃气轮发电系统。本课题来自于2 0 0 4 年国家自然科学基金重点项目“微型燃气轮机一高速发电机分布式发电与能量转换系统研究”(5 0 4 3 7 0 1 0)。1 2 高速电机关键技术国内外的研究现状由于军用和民用对高速电机的需求，上世纪末以来，英美等发达国家竞相开展对高速电机的研究，其典型代表是：美国麻省理工学院(M I T)的电磁和电子系统实验室研究的5 M W 高速感应发电机；德克萨斯州立大学机械电子中心用于先进机车推进系统的3 M W 高速同步发电机和高速感应飞轮电机；英国T u r b oG e r 雠t 公司推出的以1 2 M W 高速永磁发电机为核心的新型移动电站；美国C a l n e t i x 公司开发的舰用2 M W 高速永磁发电机，转速范围为1 9 0 0 0 r m i i 卜2 2 5 0 0 r m i I l 网，目前已研制出5 0 0 0 0 0 r m i n 的永磁发电机。下面将对高速电机的国内外研究现状进行分析。1 2 1 高速电机转子结构与强度高速电机可以有多种结构形式，如感应电机、永磁电机和磁阻电机等。电机在高速旋转时转子的离心力很大，当线速度达到2 0 0 m s 以上时，常规叠片转子难以承受高速旋转产生的离心力，需要采用特殊的高强度叠片或实心转子网。文献【2 9 1 对高速感应电机进行了理论分析。文献 3 0】对三台高速感应电机进行了试验分析。其中一台额定转速3 0 6 0 0 r r a i n，额定功率6 5 k W 的高速电机采用实心叠片转子结构。另外两台额定转速6 0 0 0 0 r m i n，额定功率6 0 k W 的高速电机采用鼠笼式结构。文献 3 1，3 2 详细讨论了三种感应电机转子结构，并制造了图1 1 所示的样机。高速感应电机的转子损耗大，功率因数低；但其实心转子能够承受4 0 0 m$的表面速度，并能承受较高的温度。文献1 3 2 1 还讨论了三种不同类型的高速永磁电机结构，即内转子周边永磁体结构、外转子周边永磁体结构和内转予圆柱永磁体结构，指出永磁电机转子损耗小，功率因数高。一4 一沈阳工业大学博士学位论文图1 1 由弹性联轴舞i 碾的两台6 0 R W 6 m N r m l a 高速感应电机蟹L IT h e6 0 k W,6 0 帅e r m i ah i g hs p e e d 劬钿m 吣D 幅e e u p l e d w a h 4 矗旺曲k 伽暇p k r瑞典斯德哥尔摩皇家技术学院早在上世纪8 0 年代中期就对高速永磁发电机进行研究，制造了一台额定转速为1 0 0 0 0 0 r m i n，额定功率为2 0 k W 的高速电机。其转子采用非导磁钢对永磁体进行了保护，并对电机转子进行了简单的应力计算D 3 J。其样机试验时，转子转速达到了7 5 0 0 0r r a i n。文献 3 4 1 中，高速电机转子上永磁体表面采用碳纤维绑扎国内对高速电机转子的结构研究还处于起步阶段。文献 3 5 1 探讨了高速异步电机转子设计面临的问题，文献(3 6 1 分析了高速永磁同步电机转子设计的关键问题。文献 3 7 1对一台1 0 0 M W 空冷汽轮发电机护环强度进行了分析，文献【3 8，3 9】对燃气轮机转子进行了循环应力分析。文献 4 0-4 3 1 利用有限元法对一些预应力装配问题进行了有限元分析1 2 2 高速电机的轴承一转子动力学在转予动力学发展的近百年历史中，出现过很多计算方法，发展到今天，现代的计算方法主要可以分为两大类：传递矩阵法 4 4-蝴和有限元法H”l。传递矩阵法的主要特点是：矩阵阶数不随系统的自由度增大而增加，因而编程简单，占内存小，运算速度快，特别适用于像转子这样的链式系统。目前，传递矩阵法在转子动力学的计算中占主导地位f 5 3 j 4 1。一5 一高速永磁电机的机械和电磁特性研究有限元法的运动方程表达方式简洁，规范，在求解转子动力学问题或转子和周围结构一起组成的复杂机械系统的问题时，有很多的优点嘲。有限元法对复杂转子系统剖分单元庞大，计算结果比传递矩阵法准确，然而计算耗时长，占用内存大。现代计算机技术的发展，给有限元法提供了良好的硬件条件，目前，有限元方法也得到了广泛应用嗍。文献f 3 0】对高速感应电机转子的固有振动频率进行了计算，得到转子的弯曲模态如图1 2 所示。上述计算中没有考虑磁力轴承支承刚度和陀螺效应对转子临界转速的影响。图l o 前两阶弯曲临界转速对应的模态确参1 2 T k m 砌e a h 岬o f 血e 舾I 棚 厅钾b 衄d 诅g a t 糟I f 嘲蚰c h文献【3 0】还进一步试验测试了感应电机转子的固有振动频率，如图1 3 所示，并把有限元分析得到的固有频率和试验检测得到的固有频率进行了对比。其中一台6 5 k w 电机叠片转子的一阶弯曲频率为5 3 0 k，只是这种转子临界转速计算的准确性还需要提高。一6 一沈阳工业大学博士学位论文图1 3 叠片转子的弯曲临界转速检测F 蟹1 3 M e s u r u m e n t o f t h e b 蛐曲曙口瞄蝴叩凼o f t k l 血a t 阳l r O W i r文献【5 7】对一台高速永磁无刷电机的转子的固有频率进行了分析计算，如图1 4 所示，转子两端的每一个轴承都被简化为2 个X 方向和两个Y 方向的弹簧。但是并没有考虑陀螺力矩对转子临界转速的影响，从而影响了分析的准确性。豳1 4 轴承一转子系统的有限元痰垄啦!4 T h e 肌m o d e l f o r r o l o r w i 凼b e a r m p国内也有某些学者对电机转子的动态性能进行了研究蚓，但是对高速电机转子的动力学分析较少。一7 一高速永磁电机的机械和电磁特性研究1 2 3 高速电机的定子结构定子结构对高速电机的性能有重要的影响。文献 3 3 1 对高速永磁发电机的特性、参数、结构等进行了初步研究，并根据研究的结果设计了一台2 0 k W 样机，该样机采用了一种如图1 5 所示的定子无槽结构，定予绕组采用环形绕组。在该种结构中，由于定子铁心没有齿槽，防止了因定子开槽在转子表面引起的涡流损耗，这也是该种结构的优点所在。但是，在转子永磁体和定子铁心之间，电枢绕组占了很大空间，这将使电机的气隙增大，导致电机输出功率受到限制。图1 52 0 k W 无糟结构的高速永磁电机结构示意图F i g 1 5 D i a g r a m o f a 2 0 I 州幽蚰P M m a c h i n e瑞士A B B 公司和瑞典V O L V O 公司均在高速燃气轮机驱动永磁高速发电机匕进行了多年的研究，他们合作研制成功型号为M T1 0 0 的热电联产样机嗍。该机组的电气输出功率为1 0 0 k W，热输出功率1 6 7 k W，总效率高达8 0。机组采用的高速永磁发电机结构简图如图1 6 所示。一8 一沈阳工业大学博士学位论文圈1 6I N I k W 高速永磁电机的结梅翻面圈嘶1 6 C n t a w a y d i a g r a m e r a h 袖。畔d 1 0 0 k W P M m a c h i n e英国燃气发电设备有限公司f r h eT u t t G e n s e tC o m p a n yL i m i t e d)，专门从事开发研制燃气轮机驱动的高速发电产品。他们研制出一种盘式结构高速永磁发电机。转子由一个或多个同轴的圆盘构成，圆盘内是轴向磁化的永磁体，定子也是由一个或多个圆盘构成，盘内是定子绕组。转子盘和定子盘交错排列，具有较高的效率和强度，但是结构较复杂，增加了加工难度和成本。1 2 A 高速电机的损耗和温升计算高速电机的损耗计算和传统电机的损耗计算有很大的不同。高速电机功率大，体积小，功率密度高，但同时高速电机单位体积内的损耗也大。虽然目前对各种普通电机的电磁性能睁卅和损韦#御1 1 研究比较多，但是对高速电机损耗的研究比较少圈。高速电机的定子损耗分为铜耗和铁耗，其中定子铜耗计算比较简单。要计算定子铁耗，首先必须了解定子材料在高频下的损耗系数。文献f 7 3】研究了材料的加工工艺过程对硅钢片材料性能的影响文献1 3 0 中高速感应电机中使用的0 2 r a m 硅钢片在磁通密度为I T，1 0 0 0 H z 时的损耗系数为4 4 W k g：而文献 7 4 1 中感应电机使用的0 2 0 r a m 硅钢片在磁通密度为l T，频率为1 3 3 3 H z 时的损耗系数为1 3 4 4 W k g；i 焉i d -文献中定子铷D 材料的损耗系数相差甚大一9 一高速永磁电机的机械和电磁特性研究要计算高速电机的铁耗，还必须准确计算高速电机内的电磁场。赫尔辛基工业大学f 7 5 硼对高速感应电机的电磁场做了比较详尽的分析，而瑞典斯德哥尔摩皇家技术学院对高速永磁电机的电磁场做了比较深入的研究r 嗍。高速电机的转子损耗也可以分为两部分，转子表面的摩擦损耗和转子中的电磁损耗。对高速电机来说，由于电机转子转速比较高，所以转子表面与风的摩擦损耗比转子里面的电磁损耗大的多删。文献【8 0 j 和(8 l】比较详细的分析和试验研究了高速电机转子表面的摩擦损失。文献f 7 6 l 对高速感应电机的损耗做了比较详细分析，他计算了两台相同功率的普通感应电机和高速感应电机的损耗，并做了对比分析。和