表贴式轴向磁通电机梯形削极分段结构研究

采用多极少槽结构和分数槽集中绕组可有效提高轴向磁通永磁(AFPM)电机的转矩密度,但磁动势谐波含量较大、频率较高,会引起永磁体涡流损耗增大和温度升高。通过优化表贴式轴向磁通永磁电机的永磁体结构可有效降低永磁体涡流损耗并抑制转矩波动,因此提出梯形削极分段结构。首先,基于精确子域法分别建立不同永磁体结构的解析模型。其次,通过解析模型和三维有限元模型对不同永磁体结构的气隙磁密、输出转矩和涡流损耗进行分析对比。然后,通过研究永磁体分段对永磁体涡流损耗的影响,确定梯形削极分段结构的参数。最后,制造一台样机并进行实验,实验结果证明,梯形削极分段结构可有效降低永磁体涡流损耗并且改善轴向磁通永磁电机输出性能。

超磁致伸缩材料动态涡流损耗模型及试验分析

超磁致伸缩材料Terfenol-D以其大磁致伸缩系数、快速时间响应及高能量密度的特点较广泛应用于高频动态领域,如超声换能器及振动主动控制结构等。磁性材料在高频磁场驱动条件下会产生涡流损耗,工作频率越高,涡流损耗越大,导致超磁致伸缩器件的输出功率显著降低。通过分析影响涡流损耗大小的关键性因素涡流截止频率与集肤深度,得到有效抑制涡流损耗的方式包括降低材料的电导率以及采用叠堆结构材料。采用经典的基于麦克斯韦方程组的涡流损耗模型,分析高频条件下磁场在整体结构与叠堆结构内部的分布,并通过试验比较两种超磁致伸缩材料结构的涡流损耗对材料阻抗频谱曲线、振动幅度的影响。试验结果显示叠堆结构的超磁致伸缩材料能够大幅度地抑制涡流损耗,其模型与试验结果相吻合。

空冷汽轮发电机端部电磁场与涡流损耗研究

针对大型空冷汽轮发电机端部磁场分布和各结构件的涡流损耗难以准确计算的问题,对大型空冷发电机端部结构进行三维实体建模,建立了电机端部三维非线性瞬态涡流场的数学模型,阐述了对激励源的选择和结构件建模的方法,较全面地考虑了材料特性、结构件形状等因素对电机性能的影响。以一台200MW空冷汽轮发电机为例,用有限元法对其在额定工况下的端部电磁场分布和结构件中的涡流损耗进行计算。将所得的结果与实测值进行比较,分析表明误差在工程应用的允许范围内,表明此种方法可以用于大型空冷汽轮发电机的端部电磁场与涡流损耗的计算当中。

1000MW空冷水轮发电机端部结构件涡流损耗

巨型水轮发电机端部损耗计算是准确计算电机端部温升的前提,也是研究发电机组安全运行的关键之一。本文详细分析了巨型水轮发电机定子端部结构件涡流损耗分布及其影响因素。以一台1 000MW全空冷式水轮发电机端部为例,建立了三维场-路-运动耦合时步有限元模型,得到了空载、额定负载以及进相0.95三种运行工况下端部结构件涡流损耗分布,在此基础上讨论了端部结构参数变化对涡流损耗的影响。研究结论为巨型水轮发电机端部结构设计和优化提供了理论依据。

LNG泵用低温高速永磁电机三维电磁场与涡流损耗的分析计算

针对液化天然气(liquefied natural gas,LNG)泵用低温高速永磁电机换相频率高、损耗大的问题,研究低温高速永磁电机三维电磁场与涡流损耗的分布特征及变化规律。结合电机材料低温电磁特性,构建电机三维全域瞬态电磁场-路耦合有限元数学模型,揭示低温高速永磁电机端部磁场的衰减规律。分析护套属性对永磁体涡流损耗的影响,探索低温与常温环境下永磁体涡流损耗的差异性,并进一步研究电流换相动态过渡过程永磁体与护套涡流电密的瞬时变化特性,得到转子瞬时涡流损耗的分布曲线,确定电机端部结构件中涡流电密及涡流路径的分布。分别从电磁参数、转子涡流损耗数值以及电磁转矩的角度对模型以及计算结果进行验证。

基于三维有限元的大型充水式潜水电机端部涡流损耗

计算潜水电机端部漏磁场在端部构件中产生的涡流损耗是准确计算潜水电机端部温升的前提,也是潜水电机安全运行的关键问题之一。本文针对单层同心式双平面2 800kW充水式潜水电机,对端部涡流损耗进行了研究。采用三维有限元方法建立大型充水式潜水电机端部磁场的数学模型,选定定子绕组、压圈等端部导电构件为涡流区域,冷却水和非导电材料所在区域为非涡流区域,为考虑机壳和端盖的涡流效应,对机壳和端盖面施加阻抗边界条件。在此基础上,建立涡流损耗数学模型,采用有限元方法计算定子端部铁心、定子压圈、定子端部绕组等构件的涡流损耗分布,分析端部结构参数对涡流损耗的影响。所得结论,可为工程实际问题的解决提供一定的帮助,并对端部绕组结构的优化设计和提高电机运行可靠性等方面提供参考。

无线充电系统损耗分析及磁体结构优化

基于电磁谐振耦合的无线充电系统只有工作在高频下才能获取较高的系统传输效率,而高频变化的磁场会在周围铁磁性的物质中产生涡流,造成严重的涡流损耗。本文通过仿真与试验的方式分析电动汽车用无线充电系统在汽车底盘中由于涡流造成的能量损耗,分析了周围铁磁性物质对系统电路模型的影响,建立了增加铁板后的等效电路模型,并提出一系列的改进磁片结构来减小涡流损耗,提高系统的传输效率。最后得出当磁体结构成发散状时,系统总损耗最小。

潜油电机设计方法研究及验证

潜油电机是一种立式工作的特殊三相异步电动机,其结构细长,定转子采用分段结构,每两段定转子之间分别装有隔磁段和扶正轴承。显然普通三相异步电机的设计方法难以适用于潜油电机。修正了潜油电机端部漏抗和隔磁段漏抗的计算方法,并采用流体力学的基本理论,推导出了转子与润滑油之间的油摩损耗的计算公式,计算了扶正轴承中的涡流损耗,改进了潜油电机的设计方法。设计制造了两台样机,一台装有隔磁段,另一台没有隔磁段,旨在考核分段处结构对电机电磁参数和性能指标的影响。实验结果验证了所改进设计方法的正确性,同时得到隔磁段对电磁参数和性能存在较大影响,设计时应充分考虑。

基于ThermNet和MagNet的水轮发电机端部电磁、温度场仿真研究

应用有限元仿真软件MagNet和ThermNet对某一100MW水轮发电机端部电磁、温度耦合场进行了仿真研究。主要工作包括:三维建模、三维复杂导体剖分中的"大尺度差别"问题的处理方法,以及MagNet和ThermNet商用软件的具体实施步骤和过程。最后,给出了模型样机涡流场、温度场的数值计算结果。

高速感应电机转子涡流损耗的计算方法及影响因素

结合解析法和二维涡流场有限元法,提出一种计算大型高速感应电机转子涡流损耗的半解析法,利用二维涡流场有限元法计算转子表面磁密,并在此基础上基于麦克斯韦方程组详细地推导出了解析公式。以一台兆瓦级高速感应电机为例,将半解析法与二维瞬态有限元法的计算结果进行对比,结果满足工程实践的精度要求。此外,采用半解析法研究转子材料和转子结构对转子涡流损耗的影响,结果表明:转子材料的相对磁导率越高、电导率越低,转子涡流损耗越小,端部有端环结构能降低转子的涡流损耗。

稀土永磁同步电动机转子温升探讨

稀土永磁同步电动机在正常运行时,理论上转子无基波损耗,转子温升应该较低,但在实际中由于磁钢涡流损耗和谐波损耗等不可避免的问题引起转子发热,温升增大。针对作者研制的一台REPMSM在试验时出现转子温升过高现象,该文对转子结构、槽配合以及稀土永磁材料等进行分析,提出了降低转子温升的解决方法。通过实验可知,磁钢的涡流损耗对REPMSM的转子温升影响很大。

高速永磁电机的转子涡流损耗分析

在高速永磁电机中,转子涡流损耗会使转子温度升高,影响电机效率等性能,甚至导致永磁体过热退磁。针对高速永磁电机中的转子涡流损耗问题,进行了解析分析和有限元计算,分析了产生转子涡流损耗的谐波来源,研究了不同定转子结构电机的转子涡流损耗,分析了定子槽数、槽口宽度、气隙长度、屏蔽层、定子齿开辅助槽对转子涡流损耗的影响。结果表明,增加定子槽数、减小槽口宽度、增加气隙长度可以减小转子涡流损耗;在护套和永磁体中间加一层高电导率屏蔽层能有效减小永磁体的涡流,且选择合适的屏蔽层厚度能够进一步减小转子涡流损耗;提出了使用合适宽度、深度、角度和槽型的辅助槽来减小转子涡流损耗、帮助电机散热的新方法。对高速永磁电机的研制具有重要的理论研究和工程应用价值。

抽水蓄能电站发电电动机端部磁场及结构件损耗分析计算

发电电动机是抽水蓄能机组的关键设备,机组频繁的变工况运行提高了对发电电动机端部绕组和结构件的电磁、机械性能要求,增加了其设计难度。准确计算其端部磁场及结构件损耗是绕组和结构件设计的前提,也是预判机组能否稳定运行的依据。针对抽水蓄能机组发电电动机整机数值分析困难的现状,提出2D-3D耦合、运动-电磁耦合的时步有限元法,并以一台280MW抽水蓄能发电电动机为例进行了端部磁场及结构件损耗的计算分析。首先采用2D运动-电磁耦合时步有限元法,结合运行工况的端点迭代法求取发电电动机工作点,并将计算结果与实测值进行对比。在此基础上,建立发电电动机端部2D-3D耦合、运动-电磁耦合时步有限元模型,将2D计算结果作为约束条件,计算分析了额定发电和额定电动工况下发电电动机端部磁场及结构件损耗的分布规律,并进一步讨论端部结构参数变化对端部结构件中涡流损耗的影响,为抽水蓄能发电电动机端部绕组及结构件的设计提供了理论依据。

大型单相电力变压器结构件三维漏磁场计算

为了获得油箱等结构件中涡流损耗的准确结果,通常采用网格加密方法,但这会引起计算规模的扩大,使得有限的计算机资源无法实现实际的仿真计算.以500 kV单相电力变压器产品为算例,完成了三维漏磁场和涡流损耗的准确计算.讨论了金属结构件"大尺度差别"问题的合理剖分方法,重点研究了在金属结构件透入深度范围内进行分层剖分生成网格的方法,并将涡流损耗的仿真计算值与试验实测值进行了对比验证.计算结果表明,随着剖分层数的增加,涡流损耗的计算结果将趋于稳定,在计算规模和求解精度之间寻求折中方案,建议对透入深度小于1 mm的油箱分层数不应小于4.

超临界汽轮发电机定子股线堵塞对温度分布的影响

为分析水内冷发电机定子绕组堵塞故障下绕组的发热问题,采用数值方法计算空心和实心股线的涡流损耗,建立定子流体场与温度场共轭传热计算模型,得到发电机径向通风沟和空心绕组内流体复杂分布,将所得温度结果与实测值进行了对比,验证计算结果的准确性;分析发电机空心股线发生堵塞故障下定子线棒的温度分布,研究股线堵塞位置及堵塞根数对发电机绝缘性能的影响;提出一种有效降低堵塞故障下绕组最高温度的绕组新结构,绕组采用该结构能使发电机发生堵塞故障后最高温度降低47℃,为预防主绝缘老化及热应力对电机绝缘的损害提供理论依据,降低发电机股线堵塞故障下绝缘烧毁隐患的发生。

中心部分分段Halbach永磁同步轮毂电机解析计算与优化设计

针对永磁同步轮毂电机转矩脉动和涡流损耗大的问题,提出一种主磁极中心部分分段结构。采用Halbach充磁方式,永磁体主磁极中心部分分段,边界磁极与主磁极不等宽不等厚。首先,在二维极坐标系下构建解析模型,采用精确子域模型法,对解析模型在空载、电流源激励及负载下的气隙磁密和转矩进行计算。其次,建立10极12槽永磁同步电机模型并对其进行有限元仿真验证,提出一种分级优化方法,对电机结构参数进行优化,从而达到降低永磁同步电机气隙磁密谐波畸变率、转矩脉动及涡流损耗的目的。最后,与相关8种磁极结构永磁同步电机模型的各项电磁性能展开对比。结果表明:分级多变量多目标优化算法提高了优化效率与精度;十字型主磁极中心部分分段Halbach永磁同步电机可以显著减小涡流损耗,有利于牵引电机过载运行;H型主磁极中心部分分段Halbach永磁同步电机可以显著降低转矩脉动,提高电磁转矩和机车稳定运行能力。

多工况下同步调相机端部磁场与结构件涡流损耗分析

特高压直流输电系统中的同步调相机需要在电网出现暂态故障时快速提供无功补偿,常工作在空载、过励和欠励工况,为了使端部结构件的设计满足多工况运行的要求,需要对多工况运行下的端部磁场与端部结构件涡流损耗进行校核。本文以一台300MVar同步调相机为例,建立了端部三维瞬态时步有限元计算模型,对空载、过励、失磁稳态三种典型运行工况下的端部磁场和结构件涡流损耗进行了对比分析,为大容量同步调相机端部结构件优化设计提供理论支持。

不等宽不等厚Halbach部分分段永磁同步电机电磁性能解析计算与优化分析

针对高功率密度的永磁同步电机电磁转矩波动和永磁体涡流损耗大的问题,提出一种Halbach部分分段结构,永磁体采用Halbach充磁方式,每极分为三段,主磁极采用单侧部分分段,边界磁极与主磁极不等厚且不等宽,并将其永磁体扩展为两种型式,即Hat型和T型。采用精确子域模型法,将求解域划分为槽身、槽口、气隙以及永磁体四个区域,在二维极坐标下计算电机负载气隙磁通密度分布和电磁转矩。建立10极12槽三维电机模型对Hat型、T型以及其他相关五种电机结构进行电磁仿真、分级优化以及对比分析,求出最优Hat型和T型结构。结果表明,Halbach部分分段结构可以降低永磁体涡流损耗、电磁转矩波动以及负载气隙磁通密度总谐波畸变率(THD),T型Halbach部分分段结构的电磁性能高于Hat型,而Hat型Halbach部分分段结构可以进一步减小永磁体体积,节约生产成本。同时,在有限元应力场中建立三维永磁同步电机求解模型,求得等效应力和总变形,确保Hat型和T型Halbach部分分段结构永磁体的机械强度都维持在允许范围内。

电磁结构对高速永磁电机转子涡流损耗的影响

本文设计了一台高速永磁电机,分析了定子槽数,槽口宽度、定子裂变比、永磁体极弧系数等参数对转子涡流损耗的影响,并对一种复合屏蔽层空心转子结构进行了研究,分析了外屏蔽层电导率对转子各部分涡流损耗的影响,并为屏蔽层的制作材料的选择提供了理论依据。最后,本文建立了转子温升测试试验台,对比了有、无铜屏蔽层的两种转子的温升,实验结果验证了理论分析的正确性。

水下无线电能传输研究进展

首先对水下无线电能传输技术进行了分类,然后给出了磁感应式水下无线电能传输的基本结构和工作原理,讨论了该技术的最优工作频率、传输距离、线圈结构选择、涡流损耗与频率分裂现象.随后简要给出了磁谐振式水下无线电能传输技术和电场耦合式水下无线电能传输的研究现状.最后对水下无线电能传输技术有待研究的问题进行了展望.