核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路时转子涡流损耗研究

为研究核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路时转子涡流损耗特性,推导了核电半速汽轮发电机空载运行时励磁绕组匝间短路故障下,定子分数次谐波环流产生的合成磁动势表达式,分析合成磁动势相对于转子的转速,揭示了转子表面产生涡流的原因以及涡流的频率特性。结合涡流损耗计算方法,以一台核电半速汽轮发电机为例进行了仿真验证。在此基础上,对核电半速汽轮发电机励磁绕组不同位置发生相同程度匝间短路,以及励磁绕组发生不同程度匝间短路过程进行了仿真,计算了转子各阻尼条及槽楔中的涡流及涡流损耗,揭示了励磁绕组匝间短路时影响转子阻尼条及槽楔中涡流和涡流损耗的因素。为核电半速汽轮发电机励磁绕组匝间短路故障时,分析转子发热的影响因素提供了理论基础。

三电平辅助变流器寿命优化控制

辅助变流系统是动车组车辆上关键的电气组成部分,主要为空调机组、风机、照明等交流负载提供稳定的三相电源。结温是影响动车组三电平辅助变流器IGBT(Insulated-gate Bipolar Transistor)模块寿命的主要因素。为了提高动车组三电平中点钳位(Neutral-Point Clamped,NPC)型辅助变流器寿命,提出一种降低结温的模型预测电流控制(Model Predictive Current Control,MPCC)策略。首先,考虑传统MPCC在每个采样周期需要代入27个电压矢量循环计算,计算量较大,因此将三电平基本电压矢量划分在间隔60°的6个扇区中,通过计算电压矢量在两相静止坐标下的相角,进而判断参考电压矢量所处扇区,将备选矢量数目从27缩减至10,减少了计算量;其次,传统MPCC直接应用于动车组辅助变流器会使IGBT模块的结温较高,老化速度加快,对变流器安全稳定运行产生不可预测的损害,本文对IGBT模块的开关损耗和导通损耗进行近似等效,得到了和集射极电压、集电极电流相关的功率损耗因子。通过预测每相电流的方向,进而预测IGBT模块的开关和导通情况,动态加入功率损耗因子,并在代价函数中约束每相IGBT及其续流二极管(Free Wheeling Diode,FWD)的功率损耗,使得最优电压矢量在降低功率损耗的同时保证一定的控制性能。通过仿真与实验验证,本文所提方法相比传统MPCC策略降低了功率器件的结温,提高了变流器寿命。

轮缘推进永磁电机-护套-介质系统建模与仿真

为了降低轮缘推进器永磁电机的涡流损耗,研究护套材料与厚度对永磁电机涡流损耗的影响,基于有限元电磁分析软件ANSYS Electronics Desktop,建立电机-护套-介质系统模型,并通过仿真结果与数值计算结论的对比验证模型准确性;计算永磁电机定转子护套、永磁体涡流密度分布,分析护套材料与厚度对涡流损耗的影响规律。结果表明:护套材料电导率较高时护套中的涡流密度远大于永磁体中的,电导率较低时两者大小相近;采用电导率较低的护套材料时电机产生的涡流损耗远小于采用电导率较高的护套材料;护套材料对护套单位体积涡流损耗影响较大,对永磁体影响较小;定转子护套的厚度比与产生的涡流损耗呈正相关;随着护套厚度比增大,采用电导率较低的护套对永磁体及护套单位体积涡流损耗影响较小,而电导率较高的护套因为屏蔽作用能够通过降低永磁体的涡流密度来降低永磁体涡流损耗;气隙介质在空气、淡水、海水中的变化对电机的磁通密度分布没有显著影响。研究成果可为轮缘推进器永磁电机护套设计提供参考。

高频多谐波激励下计及趋肤效应的软磁带材磁滞及损耗特性预测

软磁材料的非线性磁化特性使得软磁带材涡流场分布及其损耗特性分析十分困难。为此,该文采用分段线性的方法对基本磁化曲线进行逼近,基于麦克斯韦方程在每个线性段进行推导,得到单频正弦激励下软磁带材中与涡流损耗相对应的平均磁场强度Hcl表达式,并提出相应的参数辨识方法。进而,基于场分离技术与损耗分离的一致性原理,建立场分离形式的高频动态磁滞模型。根据实际应用中的高次谐波特征,基于磁导率的近似线性特征和场量的叠加原理,构造描述多谐波激励下与涡流损耗相对应磁场强度Hcl的解析表达式,并进一步提出软磁带材在复杂多谐波激励下的动态磁滞预测模型。通过实验结果与仿真结果的对比,验证该文所提方法的有效性和准确性。

超磁致伸缩材料在不同外部条件下的磁滞模型预测

超磁致伸缩材料的磁滞模型随着激励幅值、偏磁情况、激励频率的变化模型参数也会发生变化,现有的磁滞模型无法预测三种外部条件同时变化所带来的影响.本文通过传统Jiles-Atherton(J-A)动态模型解释磁滞损耗机理,根据运行条件和材料特性建立关系式来反映外界条件变化.针对J-A模型建立与激励幅值相关的关系式,针对剩余损耗建立起剩余损耗系数与激励幅值和偏磁情况的关系式,同时利用分数阶对系统的涡流损耗重新进行定义,从而得到修正后的磁滞模型.文中利用遗传算法对不同运行条件下的试验数据进行模型参数辨识,根据模型参数以及运行条件得到相应的修正系数.通过模型的仿真情况,验证了修正后模型的精度,分析了涡流和剩余损耗的影响因素以及对模型预测的影响;通过对磁滞模型进行评估,对比了磁滞曲线与磁滞损耗的误差情况.结果表明,修正后的模型能够对不同的激励进行高精度预测,低频时忽略动态损耗会造成较大误差,且涡流和剩余损耗对磁滞模型精度具有较大影响,在对具体磁滞情况进行分析时利用磁滞曲线进行评估更为准确.

汽轮发电机转子匝间短路对定子热响应特性的影响

本文分析了汽轮发电机转子匝间短路故障前后定子热响应特性,不仅考虑转子匝间短路引起电压下降对发电机强励动作的影响,还研究了热分布不平衡而引起的定子力学响应。首先推导了正常情况和转子匝间短路故障后加强励磁电流下的气隙磁通密度,得到了铁心损耗和绕组铜耗的解析表达式;然后建立了发电机故障前后的三维有限元仿真模型,对不同短路程度故障下的铁心损耗、绕组铜耗与定子温度进行了求解计算;最后实测了CS-5型故障模拟发电机在正常运行和不同短路程度故障下的定子温度,实验结果与理论分析、有限元仿真结果基本一致。结果表明,转子匝间短路故障后由于励磁电流的增强,发电机铁心损耗和绕组铜耗均会增加,定子温度明显上升,并且随着短路程度的增加而加剧;定子端面边缘位置的变形和应力幅值最大并且为热响应下的危险位置。

基于自抗扰的永磁同步电机附加谐波损耗抑制方法

针对永磁同步电机在变频器供电时,由时间电流谐波所引起的附加谐波损耗过大及难以在电机初始设计时被考虑到的问题,采用场路耦合联合仿真模型来计算电机的附加谐波损耗,并以4台现有的表贴式永磁同步电机为例,通过实验验证了场路耦合联合仿真模型的有效性,为电机设计之初附加谐波损耗的选取,以及后续温升的计算提供了前期计算的方法。同时提出一种基于自抗扰技术的附加谐波损耗抑制方法,设计一种适用于永磁同步电机矢量控制的自抗扰控制器,并从理论上验证了自抗扰控制器对于时间电流谐波的抑制作用,以及针对自抗扰控制器参数众多调参困难的问题,给出一种参数整定方案。最后通过引入所设计的自抗扰控制器,对电机的时间电流谐波进行计算和分析,使电机的附加谐波损耗降低了68.1%,为同类型电机的附加谐波损耗抑制提供了一种有效的方法。

超磁致伸缩力传感执行器磁路优化设计与分析

以超磁致伸缩力传感执行器为研究对象,基于磁致伸缩与涡流损耗理论,应用COMSOL有限元软件进行磁场分析,系统地研究了导磁体参数对磁通密度与涡流的影响规律。为增大磁通密度、减小涡流损耗,以超磁致伸缩棒中轴线上磁通密度均匀度为评价标准,优化了导磁体参数,并将导磁体分区绝缘。静、动态磁场下与未优化时实验结果进行对比,结果表明:静磁场中优化后的磁通密度均值提升了0.0161T,均匀度提升了4.5%;动态磁场中,分区绝缘可有效减少涡流损耗,优化后的力传感器灵敏度提升了5.76%。

轴向磁通定子无铁心发电机磁场解析及转子优化设计

定子无铁心轴向永磁发电机(CAFPMSM)具有结构简单、启动转矩低、功率密度高等优点,在小型风力发电机、汽油发电机等场合具有潜在应用前景。但CAFPMSM的转子磁场呈现典型的三维特性,其对无铁心绕组损耗的影响有别于传统电机。基于对电机转子磁场等效磁路的解析结果,以优化电机输出电压畸变率、降低电机绕组损耗为目的,通过加入导磁极的方式,对电机的转子结构进行优化设计。首先建立新型结构电机磁路等效模型,计算各磁路磁阻以及漏磁系数,然后利用有限元软件,验证理论解析的准确性,最后设计制造试验样机,并对其进行反电动势以及绕组涡流损耗测试。试验结果表明,新型结构电机反电动势波形畸变率、绕组产生的涡流损耗及绕组温升均有所降低。

混合级联特高压直流功率损失计算方法研究

混合级联特高压直流(UHVDC)在降低直流换相失败风险的同时提升了直流输电的灵活性,但由于LCC与VSC混合拓扑导致不同阀组闭锁后健全阀组的功率传输能力存在不确定性,影响了直流功率损失准确计算。此处提出了一种适用于混合级联UHVDC的功率损失计算方法。直流控制系统以极为单位计算阀组闭锁后的直流功率并发送安控系统计算直流功率损失,设计了合理接口与数据处理方式保证阀组单次及相继故障直流功率损失计算的准确性。最后通过试验,验证了所提方法的正确性与有效性。

高空电磁脉冲晚期成分作用下500 kV变压器无功损耗仿真研究

高空电磁脉冲晚期成分(HEMP E3)效应会在变压器中性点与大地构成的回路中产生地磁感应电流(GIC),严重时会使变压器铁心半波饱和,进而导致励磁电流严重畸变、无功损耗急剧增加、局部过热和振动加剧等后果。为准确地分析电力变压器在HEMPE3作用下的无功损耗特性,该文搭建了HEMP E3对500 kV电力变压器作用的电磁暂态仿真模型,基于IEC 61000-2-9给出的标准HEMP E3波形,定量分析了感应电场幅值、上升时间、下降时间以及变压器带负载情况等对电力变压器的影响规律。分析结果表明,HEMP E3作用下500 kV变压器无功损耗与GIC呈正相关性,且无功损耗波形滞后于感应电场的变化;HEMP E3感应电场的下降时间对500 kV变压器无功损耗的影响远超上升时间;负载阻抗的阻值相同时,容性负载下的励磁电流和无功损耗幅值最大,感性负载下幅值最小。研究结果可为进一步评估HEMPE3对电力系统稳定性的影响提供重要依据。

高速永磁电机铁耗精确计算两项式模型

基于分段带补偿项的铁耗计算方法,本文提出了一种适用于高速永磁电机铁耗精确计算的两项式数学模型。通过结合高速电机运行特性对频率和磁密区间进行双重划分,在Jordan损耗分离模型的基础上引入涡流及磁滞损耗补偿项考虑磁饱和、局部磁滞回环及涡流趋肤效应等非线性因素对硅钢片单位损耗特性的影响。该模型新增参数均为随频率和磁密变化的分段常函数,通过L-M算法拟合求解,在减小计算量的同时明确反映铁磁材料非线性对铁耗计算的影响,实现铁耗精确计算。最后,以某高速电机用硅钢片35SWH1900为例,对比了本文所提模型与Jordan损耗分离模型在单位损耗上的计算误差,实验结果表明所提模型计算误差基本在15%以内,能够有效提升高速永磁电机铁耗的计算精度。

极低频电流场透地通信路径损耗建模与分析

针对水平方向地电极电流场无线强穿透信息传输需求,研究了基于极低频水平双电极电流场信道传输特性。考虑到电极半径、电极入土深度、电极间距、发射信号频率和信号传输距离等参数对透地(Through-The-Earth,TTE)通信传输性能的影响,建立了地电极电流场TTE通信路径损耗模型,分析了各参数对路径损耗的影响,确定了信号传输最佳工作参数。根据选定参数搭建了极低频电流场TTE通信系统,在200 m和400 m通信距离下测试了3~10 Hz信号的路径损耗,通过试验数据与仿真结果对比分析验证了模型的准确性。

一种用于微能量收集的升压电荷泵设计

开关电容直流-直流(Direct Current-Direct Current,DC-DC)变换器是电源管理系统中极其重要的一部分,升压电荷泵是其中的一个分支。在微能量收集的应用场景中,升压电荷泵的研究热点是实现低的泄漏电流和低的阈值电压损耗。多数升压电荷泵设计为了减少阈值电压损耗和电荷共享等非理想效应,使泄漏电流增大,或结构变得复杂,导致面积增大,不适用于微能量收集场景。Dickson电荷泵是早期的电荷泵结构,其结构简单实用,但较大的阈值电压损耗是其最大的缺点。为此,本文基于Dickson电荷泵进行分析,采用TSMC 250 nm工艺,使用中等阈值电压(Medium Threshold Voltage,MVT)型金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOS)代替二极管,降低阈值电压损耗,再利用体源二极管偏置技术,进一步降低阈值电压损耗。本文利用Positive MOS(PMOS)管与Negative MOS(NMOS)管级联的形式,减少泄漏电流,且NMOS管采用深N阱工艺,避免加入辅助电路。仿真结果表明,本文的升压电荷泵结构设计具有较好的性能表现,达到了设计要求。

接头电阻对CORC电缆交流损耗的影响分析

采用第二代高温超导(HTS)带材绕制的CORC电缆具有载流能力高、力学性能好等优点,是制造核聚变磁体的理想电缆之一。然而,当由CORC电缆制造的核聚变磁体闭环运行时,现有的工艺很难保证每根CORC电缆的超导带材的接头电阻完全相同,这会对CORC电缆的交流损耗等电气特性产生重要影响。因此,该文搭建了含接头电阻的CORC电缆的三维有限元模型,分析了接头电阻对CORC电缆交流损耗的影响。结果表明,当CORC电缆传输交流电流时,不均匀的接头电阻将导致CORC电缆三根超导带的电流分布不均匀,进而增加了电缆的总体交流损耗。此外,得到了CORC电缆的交流损耗总是随着接头电阻不均匀程度的增加而增大的分析结果。

核主泵电动机屏蔽套磁-热联合仿真

为探究核主泵屏蔽电动机屏蔽套材料及厚度对涡流损耗的影响,以某功率为5.5 MW的AP1000屏蔽感应电动机为研究对象,应用低频电磁仿真软件Maxwell建立二维电磁仿真模型,对比3种材料(Hastelloy-C,Inconel,SUS316L)在不同尺寸下的屏蔽套涡流损耗.基于电磁仿真结果,运用磁-热联合方法,将涡流损耗值作为热源输入到核主泵电动机屏蔽套冷却模型中,通过ANSYS Fluent软件进行温度场和流场仿真.结果表明:相同屏蔽套尺寸下,材料Hastelloy-C的涡流损耗最小;相同材料下,屏蔽套厚度越小,涡流损耗越低;屏蔽套间隙流冷却系统入口到屏蔽套间隙温度变化剧烈,定子屏蔽套温度整体高于转子屏蔽套温度,两者温差约为20℃;屏蔽套上的压力分布不均匀,且沿轴向来流方向压力逐渐降低,降幅约为16.0 kPa.研究结果可为核主泵电动机屏蔽套的材料及厚度选择提供一定参考.

深海无人航行器双向无线充电系统的涡流损耗分析与效率优化

无线电能传输(WPT)技术在深海无人航行器(AUUS)领域中应用逐渐广泛,相比于空气介质的无线充电而言,海水介质中无线充电产生的涡流损耗严重降低了能量传输效率。该文提出一种采用一次侧和二次侧移相策略的双边LCC水下WPT系统,降低海水介质中的涡流损耗,提高系统效率。通过研究两线圈电流相位差对海水介质的涡流损耗的影响,建立合成感生电场模型,计算合成感生电场的分布和涡流损耗。在其他条件不变时,增大两线圈电流的相位差,会使线圈间各点处的合成感生电场幅值下降,使涡流损耗在总损耗的占比中下降,提高能量传输效率。通过对比在空气介质和海水介质中的损耗与线圈间电流相位差之间的关系,可以得到海水介质中无线充电时的最大效率点的电流相位差。相比于空气介质而言,在海水介质中无线充电的最大效率点处,线圈间的电流相位差增大。在深海双向双边LCC无线充电系统中,仅需增大两侧逆变电压相位差,即可增大线圈间电流相位差,进而提高系统效率。实验中搭建了200 V/3.5 kW级水下无线充电样机,通过增大两侧逆变器之间相位差,实现了91.5%的最大效率传输,比不采用移相策略时的效率提升了0.8%,证实了理论分析结果的正确性与可行性。

基于槽极比选择的切向永磁同步电机永磁体涡流损耗抑制措施

为抑制切向永磁同步电机的永磁体涡流损耗,基于麦克斯韦方程和本构方程,对永磁体形状进行近似假设,构建了永磁体涡流损耗的估算模型。使用一种基于卡特系数概念的磁导函数来估算由于定子开槽引起的槽下磁感应强度变化。基于五台槽极比分别为1.05、1.20、1.30、2.40和3.60的电机设计方案对理论分析结论进行了验证。在负载电流和两倍负载电流下,分析永磁体损耗,得到了每台电机的径向气隙磁密曲线及其谐波含量。考虑到增加槽极比对定子铁耗和永磁体涡流损耗的削弱效果,给出了电机槽极比选择策略。研究结果表明,增加槽极比能减弱定子槽下磁感应强度变化,从而抑制气隙磁场中低次谐波含量,减小永磁体涡流损耗,使电机运行更加可靠,但也会引入更多高次谐波,从而增加定子铁耗。

直升机涵道尾桨永磁同步电机设计与仿真

针对直升机涵道尾桨机械传动系统传动链长、噪声大、结构复杂、传动轴刚度差和安装维护周期长等缺陷,设计一种适用于直升机涵道尾桨的永磁同步电机。通过探究悬停工况下电机主要尺寸与尾桨桨叶长度、宽度以及安装角度的关系,明确一定范围内电机主要尺寸最小时的功率、转矩和转速;采用分数槽集中绕组进一步提升了功率密度,基于14极18槽完成了电机设计。建立电磁场和温度场有限元仿真模型,验证电磁设计的合理性以及永磁体分段降温的有效性。与未分段相比,当永磁体沿周向分4段时,永磁体平均温度降低了55.43%。结果表明:该电机功率密度较高,输出特性良好并且温升较低,能够长时间可靠运行。

分块充磁永磁体对磁齿轮磁密及涡流损耗影响

在大功率大变速比磁齿轮中,整体充磁式大块永磁体空心化问题是提升永磁齿轮性能的主要障碍之一。分块充磁工艺能够有效解决这一问题,明显提升大块永磁体性能。通过构建3D模型,对采用分块充磁技术的永磁体的永磁齿轮完成了磁热仿真分析。结果表明,分块充磁技术能够有效抑制大尺寸永磁体的磁场空心化,显著提高其剩磁,改善永磁齿轮的磁密,进而提升永磁齿轮的最大输出转矩;分块充磁永磁体块间绝缘能够有效缩减永磁体圆周弧长和轴向长度与永磁体磁场透入深度的差距,大大降低永磁体的涡流损耗。