燃?xì)廨啓C(jī)直驅(qū)MW級高功率密度永磁發(fā)電機(jī)的研究

張 宙，張 鵬，曹 衛(wèi)，張曉敏

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

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燃?xì)廨啓C(jī)直驅(qū)MW級高功率密度永磁發(fā)電機(jī)的研究

張 宙，張 鵬，曹 衛(wèi)，張曉敏

(上海電氣集團(tuán)上海電機(jī)廠有限公司，上海 200240)

目前燃?xì)廨啓C(jī)直驅(qū)MW級高功率密度永磁發(fā)電機(jī)受到的關(guān)注日益增加，其在艦船綜合電力系統(tǒng)等小型分布式能源領(lǐng)域擁有巨大的發(fā)展前景。以一臺(tái)MW級，額定轉(zhuǎn)速5 000 r/min的高功率密度永磁發(fā)電機(jī)為例，針對其中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)進(jìn)行研究，包括磁極形式的對比分析、減小轉(zhuǎn)子表面護(hù)環(huán)溫度的研究。最終根據(jù)該文的研究成果完成一臺(tái)1 MW、5 000 r/min高功率密度永磁發(fā)電機(jī)樣機(jī)的試制工作。

燃?xì)廨啓C(jī)直驅(qū)；高功率密度；永磁發(fā)電機(jī)

0 引言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和新材料、新工藝的推廣，艦船綜合電力系統(tǒng)日益受到人們的關(guān)注，并因其體積小、操控性能好、系統(tǒng)冗余度高等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在艦船以及豪華游輪上使用。采用電力推進(jìn)系統(tǒng)的艦船，可以采用一套發(fā)電機(jī)組(含原動(dòng)機(jī))產(chǎn)生共同的電能，既用于推進(jìn)，也用于其它非推進(jìn)電氣負(fù)載，實(shí)現(xiàn)艦船整體全電化操控。

目前，艦船的主要原動(dòng)機(jī)基本為高速燃?xì)廨啓C(jī)，轉(zhuǎn)速較高，同時(shí)從安全、可靠以及減少體積等角度考慮，希望發(fā)電機(jī)能夠由高速燃?xì)廨啓C(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省去中間的變速齒輪箱。因此燃?xì)廨啓C(jī)直驅(qū)大容量高功率密度發(fā)電機(jī)是艦船綜合電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備和核心裝備。

其中，美國、英國等已經(jīng)在該專業(yè)方向上進(jìn)行了大量的研究以及驗(yàn)證工作，包括汽輪發(fā)電機(jī)、永磁發(fā)電機(jī)以及超導(dǎo)發(fā)電機(jī)等[1]，永磁發(fā)電機(jī)因其結(jié)構(gòu)簡單，體積小，質(zhì)量輕以及效率高等優(yōu)勢[2]，特別適合應(yīng)用于該專業(yè)領(lǐng)域，也可以推廣至其它由燃?xì)廨啓C(jī)直驅(qū)的小型分布式能源領(lǐng)域。

1 磁極形式對比分析

1.1 表貼式磁極方案

磁極形式設(shè)計(jì)是高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，永磁材料能承受較大的壓應(yīng)力(約1 000 MPa)，但不能承受大的拉應(yīng)力，其抗拉強(qiáng)度低于抗壓強(qiáng)度的十分之一(一般約80 MPa)。如果沒有保護(hù)措施，永磁體無法承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的巨大離心力[3]。

目前，保護(hù)表貼式永磁體的措施有兩種：一種保護(hù)方法是用采用碳纖維綁扎永磁體；另外一種是在永磁體外面加一高強(qiáng)度非導(dǎo)磁金屬保護(hù)套。與采用非導(dǎo)金屬保護(hù)套相比，碳纖維綁扎帶的厚度要小，而且不產(chǎn)生高頻渦流損耗[4]。然而目前滿足該樣機(jī)碳纖維綁扎的大預(yù)緊拉力的機(jī)器國內(nèi)無法生產(chǎn)，進(jìn)口亦被限制，人工綁扎的工藝穩(wěn)定性無法保證，并且需要大量的試驗(yàn)驗(yàn)證工作，因此本文表貼式磁極采用外加高強(qiáng)度非導(dǎo)磁金屬保護(hù)套的結(jié)構(gòu)，非導(dǎo)磁金屬保護(hù)套材料為鈦合金TC4，屈服高達(dá)860～1 000 MPa，永磁體采用釤鈷材料，最高工作溫度可以達(dá)到350 ℃。

由于永磁體能夠承受很大的壓應(yīng)力而不能承受較大的拉應(yīng)力，永磁體和保護(hù)套之間可以采用大過盈配合，使永磁體靜態(tài)承受一定的預(yù)壓應(yīng)力。表貼式磁極方案材料特性列表如表1所示。

表1 表貼式磁極方案材料特性列表

通過轉(zhuǎn)子靜止和轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析，校驗(yàn)護(hù)套是否能夠承受所允許的應(yīng)力，保證高速電機(jī)的安全運(yùn)行，并且根據(jù)摩擦力傳遞轉(zhuǎn)矩的概念，考慮過載及工程余量后，在最惡劣情況下仍需要永磁體和磁軛存在一定的壓應(yīng)力。由于鈦合金護(hù)套的熱膨脹系數(shù)略低于永磁體，所以超速旋轉(zhuǎn)時(shí)受力最惡劣的情況為室溫下的超速旋轉(zhuǎn)。經(jīng)過有限元分析，可以得到護(hù)套單邊過盈量至少要達(dá)到0.26 mm，考慮到各種公差配合以及熱套工藝間隙，能保證熱套溫度控制在350 ℃左右，確保熱套過程不會(huì)使永磁體發(fā)生不可逆退磁。

從圖1可以看出，靜止時(shí)護(hù)套承受的最大等效應(yīng)力約為194 MPa。從圖2可以看出，隨著轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速升高，離心力增加， 轉(zhuǎn)子承受的等效應(yīng)力進(jìn)一步增加，超速6 000 r/min時(shí)(20 ℃)護(hù)套承受的最大等效應(yīng)力約為232 MPa。

圖1 靜止時(shí)表貼式磁極等效應(yīng)力分布圖

圖2 超速6 000 r/min時(shí)表貼式磁極等效應(yīng)力分布圖

通過轉(zhuǎn)子靜止和轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，表貼式磁極方案中護(hù)套、永磁體材料的選擇以及永磁體和護(hù)套之間過盈量的選擇都比較合理，圖示3為表貼式方案的中間驗(yàn)證樣機(jī)的轉(zhuǎn)子實(shí)物圖。

圖3 表貼式方案中間驗(yàn)證樣機(jī)的轉(zhuǎn)子實(shí)物圖

1.2 內(nèi)置式磁極方案

內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中的永磁體受隔磁橋保護(hù)，結(jié)構(gòu)相對牢固。但是，內(nèi)置式永磁同步電動(dòng)機(jī)需要較小尺寸的隔磁橋使其易于達(dá)到深度飽和以減小漏磁，提高電機(jī)電磁性能。但另一方面，隔磁橋厚度也影響轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度，通常隔磁橋位于轉(zhuǎn)子外緣，電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的離心力會(huì)引起轉(zhuǎn)子形變。因此需要增大隔磁橋厚度使轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行時(shí)不至發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形。

內(nèi)置式磁極方案中還需要著重考慮高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械應(yīng)力的分布問題，通過永磁體的擺放和隔磁橋搭配的關(guān)系降低最大應(yīng)力與平均應(yīng)力的比值。比較常見的是將原本的整塊永磁體分成數(shù)段小塊的永磁體，之間用較窄的隔磁橋進(jìn)行分隔。對于每極隔磁橋總寬度一樣的情況下，永磁體和隔磁橋分布布置的最大應(yīng)力會(huì)遠(yuǎn)低于集中布置的情況。同時(shí)為了考慮充分利用內(nèi)置式磁極的磁阻轉(zhuǎn)矩以提高功率密度，可以采用利用上述原理的U形內(nèi)置式磁極。

由于內(nèi)置式磁極永磁體是嵌入裝配的，不需要進(jìn)行熱套，而且由于磁極疊片之間存在一定的絕緣，因此內(nèi)置式磁極表面的溫度也較低，因此永磁體采用釹鐵硼材料。內(nèi)置式磁極方案材料特性列表如表2所示。

表2 內(nèi)置式磁極方案材料特性列表

通過轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析，校驗(yàn)隔磁橋能夠承受所允許的應(yīng)力，保證高速電機(jī)的安全運(yùn)行。同時(shí)內(nèi)置式磁橋還需要考慮磁極疊片與轉(zhuǎn)軸間熱套的應(yīng)力分析。一方面要在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)考慮過載及工程余量后，在最惡劣情況下仍需要磁極疊片和轉(zhuǎn)軸間存在一定的壓應(yīng)力；另一方面在靜止時(shí)校驗(yàn)磁極疊片和轉(zhuǎn)軸是否能夠承受所允許的應(yīng)力。磁極疊片和轉(zhuǎn)軸間單邊過盈量為0.04～0.08 mm，考慮到各種公差配合以及熱套工藝間隙，能保證熱套溫度控制在250 ℃左右，能確保熱套過程中磁極疊片的片間絕緣不被破壞。

從圖4可以看出，超速6 000 r/min，最大過盈量時(shí)隔磁橋承受的最大等效應(yīng)力約為394 MPa，低于磁極疊片的屈服430 MPa。從圖5可以看出，超速6 000 r/min，最小過盈量時(shí)隔磁橋承受的最大等效應(yīng)力約為329 MPa，而且磁極疊片與轉(zhuǎn)軸之間仍有足夠的壓力。從圖6可以看出，靜止，最小過盈量時(shí)磁極疊片與轉(zhuǎn)軸間承受的最大等效應(yīng)力約為293 MPa。

圖4 超速6 000 r/min，最大過盈量內(nèi)置式磁極等效應(yīng)力分布圖

圖5 超速6 000 r/min，最小過盈量內(nèi)置式磁極等效應(yīng)力分布圖

圖6 靜止，最大過盈量內(nèi)置式磁極等效應(yīng)力分布圖

通過轉(zhuǎn)子靜止和轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)態(tài)應(yīng)力分析結(jié)果可以看出，內(nèi)置式磁極永磁體的擺放和隔磁橋搭配以及磁極疊片和轉(zhuǎn)軸之間過盈量的選擇都比較合理，圖示7為內(nèi)置式方案的中間驗(yàn)證樣機(jī)的轉(zhuǎn)子實(shí)物圖。

圖7 內(nèi)置式方案中間驗(yàn)證樣機(jī)的轉(zhuǎn)子實(shí)物圖

2 減小表貼式磁極表面溫度

無論表貼式還是內(nèi)置式磁極方案中間驗(yàn)證樣機(jī)的轉(zhuǎn)子均順利完成了超速試驗(yàn)。最終從系統(tǒng)指標(biāo)出發(fā)，從減小穩(wěn)態(tài)電壓調(diào)整率，減小突加、突卸負(fù)載瞬態(tài)電壓變化的角度考慮，選擇表貼式作為最終1 MW，5 000 r/min樣機(jī)的磁極方案。

表貼式磁極方案轉(zhuǎn)子表面為非導(dǎo)金屬保護(hù)套，會(huì)產(chǎn)生高頻渦流損耗，從而增加表貼式磁極的表面溫度[5]。綜合考慮工藝可行性以及不引入新的附加損耗，減小表貼式磁極表面溫度的簡易方案有兩種，如下圖8所示：第一種是采用常規(guī)的半開口槽以及模壓型磁性槽楔；第二種是采用增加槽口通風(fēng)的半開口槽以及非磁性槽楔。

圖8 減小表貼式磁極表面溫度的兩種簡易措施圖示

第一種方法主要是盡可能的減小非導(dǎo)磁保護(hù)套的渦流損耗，圖9給出了第一種方法的表貼式磁極表面渦流損耗密度的分布圖，呈現(xiàn)出齒槽周期重復(fù)的特征。第二種方法不僅減小渦流損耗，同時(shí)還大幅增加了氣隙通風(fēng)面積，增加了轉(zhuǎn)子表面的散熱能力。

表3給出了槽形尺寸以及槽楔形式對轉(zhuǎn)子表面損耗的影響數(shù)據(jù)列表。通過對比可以看出，采用半開口槽能大幅降低轉(zhuǎn)子表面損耗；而在半開口槽下再使用磁性槽楔時(shí)，轉(zhuǎn)子表面損耗降低就不太明顯；而在增加槽口通風(fēng)的情況下，由于槽楔位置遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)子表面，此時(shí)沒有必要采用磁性槽楔。對比前述兩種方法，第一種方法的轉(zhuǎn)子表面損耗為4.0 kW，第二種方法的轉(zhuǎn)子表面損耗為4.9 kW，比第一種方法僅增加0.9 kW。第二種方法的氣隙表面通風(fēng)散熱面積卻比第一種方法增加了接近60%，能更有效地降低表貼式磁極表面溫度，同時(shí)第二種方法采用非磁性槽楔材料，更加安全可靠。

圖9 表貼式磁極表面渦流損耗密度的分布圖

表4給出了前述兩種方法在中間驗(yàn)證樣機(jī)的試驗(yàn)結(jié)果，實(shí)際證明了第二種方法的顯著效果，其中轉(zhuǎn)子表面溫度是通過測溫貼紙測量的，因此只能給出范圍。最終1 MW、5 000 r/min樣機(jī)采用增加槽口通風(fēng)的半開口槽以及非磁性槽楔的方案來減小轉(zhuǎn)子表面溫度。

表4 槽形尺寸以及槽楔形式對轉(zhuǎn)子表面溫度的影響試驗(yàn)

3 樣機(jī)試制

根據(jù)文中前面章節(jié)的研究內(nèi)容以及中間驗(yàn)證樣機(jī)的試制，最終完成了燃?xì)廨啓C(jī)直驅(qū)1 MW、5 000 r/min高功率密度永磁發(fā)電機(jī)樣機(jī)的試制工作。該樣機(jī)采用H級絕緣，冷卻方式為IC86W，制造工藝成熟可靠，含冷卻器質(zhì)量僅為1 400 kg，艦船用電機(jī)功率密度比質(zhì)量指標(biāo)僅為1.4 kg/kW，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

經(jīng)過與高功率因數(shù)整流器的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，最終樣機(jī)各種穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)指標(biāo)均達(dá)到了立項(xiàng)要求，圖10即為最終1 MW、5 000 r/min樣機(jī)參與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)現(xiàn)場圖示。

圖10 最終1 MW、5 000 r/min樣機(jī)參與系統(tǒng)聯(lián)調(diào)現(xiàn)場圖示

4 結(jié)語

目前燃?xì)廨啓C(jī)直驅(qū)MW級高功率密度永磁發(fā)電機(jī)受到的關(guān)注日益增加，其在艦船綜合電力系統(tǒng)等小型分布式能源領(lǐng)域擁有巨大的發(fā)展前景。本文以一臺(tái)MW級，額定轉(zhuǎn)速5 000r/min的高功率密度永磁發(fā)電機(jī)為例，對滿足要求的表貼式磁極以及減小其表面溫度的方案進(jìn)行研究，同時(shí)也對滿足要求的內(nèi)置式磁極方案進(jìn)行對比研究。

通過對比分析以及中間樣機(jī)的驗(yàn)證，證明了前期研究成果的正確性。最終從系統(tǒng)角度出發(fā)，采用表貼式外加高強(qiáng)度非導(dǎo)磁金屬保護(hù)套的磁極形式，并通過增加槽口通風(fēng)的半開口槽結(jié)構(gòu)減小轉(zhuǎn)子表面溫度，順利完成1MW、5 000r/min高功率密度永磁發(fā)電機(jī)樣機(jī)的試制工作，制造工藝成熟可靠。經(jīng)過與高功率因數(shù)整流器的系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，最終樣機(jī)各種穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)指標(biāo)均達(dá)到了立項(xiàng)要求，特別是艦船用電機(jī)功率密度比質(zhì)量指標(biāo)僅為1.4kg/kW，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

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