偏心转子表面非平稳电磁力研究

作为现代工业的核心元件,永磁同步电机的稳定性由转子内部电磁力决定,而转轴输出的稳定性受转子不平衡磁拉力的影响。文章采用麦克斯韦应力法与有限元分析结合的方法,针对工程中常见静态偏心故障,建立了不同偏心程度的表贴式永磁同步电机有限元模型;采用径向电磁力密度表征了转子表面所受不平衡磁拉力,探究了偏心前后及不同偏心程度下的径向电磁力密度的时-空谱变化,并对径向电磁力密度的时间脉动信号进行了包络谱分析。结果表明:径向电磁力密度时-空谱分布均匀度随偏心度的增大而下降,且径向电磁力密度因受偏心造成的轴频影响致使8、12、16阶谐波明显增大,通过对提取该类谐波的特征,可有效提升故障诊断的准确性和可靠性。

转子导磁导电槽楔材料对汽轮发电机参数和转子表面损耗影响的研究

在电机定子或转子的槽楔上采用磁性槽楔材料,可以提高电机的效率。该文以150MW空冷汽轮发电机为例,提出了在发电机转子开口槽内嵌入一种高强度的导磁导电的Fe-Cu合金槽楔替代通常的铝合金或硬铝槽楔,通过建立该发电机二维电磁场数学模型,基于时步有限元法计算了发电机转子采用铝合金槽楔和导磁导电槽楔时转子表面损耗,研究了采用两种不同材料时转子表面附加损耗分布和定子铁心铁耗数值的变化,对比了两种不同槽楔时发电机的饱和电抗值。转子采用导磁导电的Fe-Cu合金槽楔,发电机的饱和同步电抗相对于铝合金槽楔对应的饱和同步电抗减小、短路比增加,发电机气隙内谐波含量降低。此外,采用Fe-Cu合金槽楔材料的强度要好于铝合金槽楔强度。

汽轮机转子表面温度测量的模拟试验研究

汽轮机转子表面温度是对其进行高温蠕变损伤分析及转子热应力、热疲劳分析的关键数据之一,为解决精确测量汽轮机转子表面温度的难题,通过理论与试验相结合研究了热电偶和光纤等接触式测量、红外辐射式非接触测量等不同方法的特点,及转子旋转、振动对红外方式测温的影响.结果表明:采用传统热电偶等接触式方式测量转子表面温度存在响应时间长、信号引出困难等固有缺陷;红外测温响应速度快,能够在一定程度上较准确地测量汽轮机转子的表面温度并且能长期对转子表面温度进行在线监测,转子的旋转及振动对红外测温系统影响很小.

基于光纤技术转子表面高精度测量系统的研究

借助光的波动性,提出一种新转子球表面测量技术,用光强调制式的双光纤传感器作为测量元件,从理论和实验两方面,分析了光纤位移传感器特性,分别给出了传感器实验结果和理论结果。利用该光纤位移传感器进行转子表面微小变化的测量,设计一种适用于转子表面测量的系统其测量精度达到0.005μm,给出转子表面图形绘制法—墨克脱投影法,并给出了本转子的测量表面图。此系统也可以用在其它物理学的尖端表面测量实验中。

基于IEEE1451.2的网络化大型电机转子表面温度光纤传感器

介绍了大型电机转子表面温度的非接触光纤测温方法和基于IEEE1451.2的网络化传感器的基本特点,提出了采用CAN总线作为TII接口协议完成STIM和NCAP的长距离连接,实现了大型电机转子表面温度的远程在线监测。

永磁同步电机转子表面辅助槽对齿槽转矩的影响研究

针对永磁同步电机存在的齿槽转矩过高引起的电机振动噪声问题,对转子表面辅助槽结构进行了优化。通过永磁同步电机齿槽转矩产生的原理,分析了转子结构对电机齿槽转矩的影响,探讨了转子表面辅助槽结构与电机齿槽转矩的关系,并进行了推导归纳;利用有限元软件搭建了8极48槽内置式永磁同步电机模型,以该内置式永磁同步电机模型为载体,通过改变气隙磁密谐波分量,采用多目标遗传算法计算出了辅助槽个数、位置和深度3个设计变量的最优解,得到了辅助槽结构的最佳设计方案。研究结果表明:采用优化后的转子表面辅助槽结构,可以有效降低内置式永磁同步电机的齿槽转矩,增加气隙磁密基波幅值,降低了5次和7次谐波幅值,使齿槽转矩峰值降低了76.2%,并且保证电机性能不降低。

基于LSTM循环神经网络的汽轮机转子表面应力预测模型

汽轮机转子启动过程中的寿命管理与评估问题非常关注转子表面应力,而应用有限元计算应力时间代价较大,循环神经网络(recurrent neural network,RNN)可快速准确地计算预测汽轮机启动过程中转子表面应力,大大提高在线评估效率。然而传统RNN神经网络存在梯度消失或爆炸以及无法解决长时依赖的问题,影响其实际应用。针对该问题,建立了基于长短期记忆(longshort-termmemory,LSTM)循环神经网络的汽轮机转子表面应力预测模型。在超参数的多组实验中,发现时间步长为3、dropout比例为0.2、隐藏层单元数为6时预测精度达到最佳,验证了预测模型的合理性。通过预测模型与有限元计算模型的耗时对比,发现预测模型耗时大大缩短,验证了预测模型的高效性。对预测模型的普适性分析表明:预测模型可拓展应用于类似时序序列问题的预测中。

汽轮发电机转子表面部件的电接触分析

汽轮发电机转子表面部件的接触电阻是影响负序涡流分布,并造成局部高温区的主要原因之一。本文分析了转子表面部件接触的结构特征,指出转子表面部件的接触是一种工程表面接触。简述了工程表面接触的基本概念,并根据粗糙表面的接触理论导出了工程表面接触电阻的计算公式。

齿调制作用下转子开槽对永磁电机电磁振动影响

为了研究齿调制作用下转子表面开槽对永磁同步电机电磁振动的影响,以小功率分数槽集中绕组(FSCW)内置永磁同步电机(IPMSM)为研究对象,通过麦克斯韦应力张量法推导径向电磁力波的频率及空间阶数特征。分析齿调制作用在FSCW-IPMSM中将空间高阶电磁力波调制为低阶电磁力波的过程,并给出转子表面开槽在齿调制作用影响下与电磁振动间的联系。研究表明,转子表面开槽结构的改变会使各次谐波磁场发生变化,进而改变以极数阶电磁力波为代表的高阶电磁力波的幅值。在齿调制作用下,这些高阶电磁力波会被调制为幅值较高的低阶电磁力波,并引起不同幅度的低阶振动。然后建立C型、V型两种不同转子表面开槽结构的10极12槽FSCW-IPMSM电磁及结构有限元分析模型并进行仿真分析。结果表明,极数阶即10阶电磁力波会被调制为2阶并引起2阶振动,且两种不同开槽结构间的电磁振动存在着高达22.1%的差异。最后,在一台10极12槽样机上进行振动实验,验证理论与仿真分析结果。

一种用于转子球表面高精度测量系统的研究

提出一种新转子球表面测量技术,用光强调制式的单光纤传感器作为测量元件,相应的灵敏度为2.5mv/μm,对该系统进行测试(在0～100μm之内)结果为精度等级优于1%,重复性优于0.5%,设计一种适用于转子表面测量的系统其测量精度达到0.005μm,以直径为38mm的实心转子球为例介绍了整个系统的组成及其工作过程,给出两种有用转子表面图形绘制法—墨克脱投影法和三维表面重现法,并给出了本转子的测量三维表面图。然后用此数据得到了一些对预测转子的某些动力学性能很有用的参数。

表面-内置式永磁转子同步电机等效磁路法特性分析

针对有限元法计算分析电机的复杂性和耗时长等特点,采用等效磁路法分析一种表面-内置式永磁转子同步电机工作特性。建立电机开路状态表面式与内置式永磁体串并联励磁结构等效磁路模型,根据表面-内置式永磁转子磁路结构特点,得到开路状态简化等效磁路模型,计算电机励磁磁场分布、电枢绕组反电势和磁通链;分别建立电机电枢反应下直轴和交轴简化等效磁路模型,求解电机负载磁场分布、电枢反电势和输出电磁转矩;建立电机有限元模型,分析求解电机开路和负载状态电磁特性;建立试验平台,进行试验样机空载和负载测试试验。对比分析简化等效磁路模型、有限元模型计算结果和试验样机测试结果,验证了所提出的等效磁路模型的正确性与合理性。

异步起动表面-内置式永磁转子同步电机特性分析及优化

提出一种异步起动表面-内置式永磁转子同步电机(LSSIPMSM),LSSIPMSM通过定子旋转磁场和转子起动铜层间的相互作用产生异步起动转矩。采用解析和有限元法相结合的方法对LSSIPMSM进行性能分析及关键参数优化,研究了起动铜层厚度、永磁体厚度等参数对起动性能和同步运行性能的影响,从而确定最优的铜层厚度和永磁体厚度。建立LSSIPMSM的电磁场有限元模型,分析LSSIPMSM在永磁体不同退磁状况下的起动性能和同步运行性能,并通过三维温度场有限元模型分析了不同退磁状况下的温度场分布。通过仿真结果的对比分析,验证了LSSIPMSM具有较好的动态性能和稳态性能。

表面-内置式永磁转子同步电机多目标优化设计

针对表面-内置式永磁转子同步电机(SIPMSM)优化目标多并且彼此之间相互制约的特点,引入一种统计学方法——田口法实现SIPMSM的多目标优化设计。选取齿槽转矩、电磁转矩波动、转矩永磁体质量比和力能指标等特性作为优化目标,并确定了对目标特性影响较大的优化参数和参数影响因子取值范围。建立参数影响因子和优化目标的实验正交矩阵,利用有限元法进行求解,分析参数的影响因子对SIPMSM目标性能的影响比重,从而确定使SIPMSM综合性能最佳的参数组合。通过对比优化前后的目标特性,结果表明优化后SIPMSM的综合性能得到极大的提高。

一种表面-内置式永磁转子同步电机三维全域温度场分析

针对表面-内置式永磁转子同步电机(SIPMSM)具有结构紧凑和功率密度高的特点,准确计算SIPMSM各部件的温度分布非常重要。采用电磁场-温度场耦合分析的方法对SIPMSM的三维全域温度场进行计算。建立SIPMSM的电磁场和温度场有限元模型,分析在同步运行速度下负载和永磁体退磁对SIPMSM三维全域温度场的影响,也分析了在额定负载下运行速度对SIPMSM三维全域温度场的影响。通过仿真与实验结果的对比分析,验证了样机模型的合理性和计算结果的正确性。

表面-内置式永磁转子同步电机的永磁体优化

针对表面-内置式永磁转子同步电机的结构特点,采用有限元法对表面-内置式永磁转子同步电机的表面式永磁体进行优化。建立表面-内置式永磁转子同步电机不同充磁方式和结构的有限元模型,计算其瞬态磁场,研究额定负载下的气隙磁密分布。分析其不同充磁方式和结构对空载反电势正弦特性、齿槽转矩、转矩波动和功率因数的影响,求解出表面-内置式永磁转子同步电机最佳的充磁方式和结构。分析结果表明,优化后的表面-内置式永磁转子同步电机的性能得到有效改善。

磁极偏移法抑制表面-内置式永磁转子同步电机齿槽转矩分析

针对所提出的表面-内置式永磁转子同步电机(SIHPMSM)结构特点,建立不同充磁方式下SIHPMSM的齿槽转矩解析模型。分析SIHPMSM磁极偏移状态下整体和单个磁极的齿槽转矩解析公式,得到磁极整体偏移和磁极分组偏移的齿槽转矩优化方法。采用有限元法计算SIHPMSM在不同充磁方式下磁极偏移时的齿槽转矩,与实验样机测试结果进行对比,得出最优的齿槽转矩优化方案。对比分析优化前后电机反电势、电磁转矩、转矩波动、效率等性能参数,验证了所采用优化方法的正确性与合理性。

表面式永磁同步电机转子辅助槽对转矩的影响

以一台10极定子30槽表面式永磁同步电动机为例,分别在永磁体下方的转子铁心和永磁体底部开设不同形状、数量和位置的辅助槽,分析各类辅助槽对于电机带载运行时的转矩脉动和平均转矩的影响,总结转矩脉动随辅助槽大小和位置的变化规律。有限元分析研究表明,开设合理的转子铁心辅助槽和永磁体辅助槽可以有效地削弱转矩脉动。

转子结构对永磁同步电主轴转矩脉动的影响

齿槽转矩是由转子与定子齿间电磁力的切向分量所构成。齿槽转矩的变化引起转矩脉动,影响永磁同步电主轴稳定性。不同的转子表面结构,会引起气隙的不均匀,影响气隙磁场分布,导致磁导发生较大的变化,进而影响转矩脉动的大小。对永磁同步电主轴进行了有限元仿真分析,通过改变转子表面结构减小了永磁同步电主轴的转矩脉动。结果表明:合理设计内置式永磁同步电主轴的转子表面结构,可以有效地减小转矩脉动对电主轴的影响,提高系统的工作精度,并且不会减小额定转矩。

表面-内嵌式电机永磁体设计及特性分析

针对表面式永磁电机具有弱磁调速范围小,功率密度低;内嵌式永磁电机存在转矩脉动大,漏磁凸出缺陷,本文提出一种新型表面-内嵌永磁转子同步电机新结构。在满足永磁同步电机的性能达到最优的条件下,建立电机的有限元模型,分析了改变永磁体的极弧系数和磁化方向的等方式对电机转矩波动、效率、功率因数等性能的影响,比较分析得出比较合理永磁体情况下的新型混合式永磁同步电机模型。

表面插入式永磁同步发电机低电压调整特性

对表面插入式转子三相永磁同步发电机(PMSG)的负载特性进行了研究。用解析法推导出了实现零电压调节的条件。使用有限元分析计算磁场分布,根据磁场分布分析饱和对同步电抗的影响。实验结果表明:用饱和的双轴模型可对发电机的负载特性进行更精确的预测。