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因具有诸如高功率密度、低励磁损耗、高效率、高功率因数等一系列优点,高速永磁发电机成为燃气轮机发电机组常用的关键发电设备,并在日常家电、工业生产领域和军工等领域均具有优势和良好的应用前景。高速永磁电机工作时,转子转速高达每分数万转,造成电机单位体积损耗较普通电机大大增加,使电机工作温升变高。通过研究高速永磁发电机内温度分布规律,合理设计电机结构和冷却系统可以降低工作温升,改善电机内温度分布,延长永磁体和电机的工作寿命,具有重要意义。本文针对电机结构型式、运行工况和冷却条件对高速永磁发电机内温度分布影响开展深入理论研究,并对电机关键部件开展了优化设计研究,为提升高速永磁发电机性能奠定基础。 针对一台100kW级高速永磁电机采用的背绕式绕组和转子合金保护套筒等特殊结构,就电机拓扑结构对其电磁输出参数和损耗分布的影响开展了研究。采用时步有限元法,对电机内瞬态磁场分布的时变规律进行计算,求得高速永磁发电机内的磁场分布和不同组件电磁损耗;对比研究了定子侧传统绕组结构与背绕式结构、开口槽与闭口槽、开槽铁心和无槽铁心对绕组反电动势和电机内损耗分布的影响;分析了转子侧不同护套结构对电机磁场分布和性能的影响;建立多目标的永磁体尺寸优化函数,提出非均衡相对加权方法,对永磁体开展优化设计。基于电磁分析得到的电机内各组件损耗将作为电机内热分析的分布式热源,为下一步的电机内热分析奠定基础。 对采用密闭油冷方式下高速永磁发电机内温度分布进行了研究。建立了计及绕组端部结构的三维全域流体-温度耦合计算模型,确定了多边耦合散热边界条件。充分考虑工作温度与电机内不同材料导电、导热和导磁性能以及冷却介质传热特性之间相互作用影响,提出电磁-流体-温度多重收敛迭代计算方法,研究了多支路并联冷却通道系统下电机全域内的额定运行时温度分布,探讨了不同定子槽型和铁心结构时电机内温度分布的变化规律,分析了不同转子护套结构对电机内温度分布影响。基于确定的不同转速工作时电机内热源分布和传热能力变化,揭示了电机关键组件温度随工作转速的变化规律,给出电机不同组件温度与定子绕组电阻之间的数学关系式,为电机内温度监测提供重要参考。 针对油冷系统的关键结构组件对电机内温度分布影响进行了研究。计算分析了定子侧采用不同材料隔油环时电机内温度分布的变化情况,并分析取消隔油环后气隙空气导热能力和电机工作温度改变;提出在转子侧增加新型冷却措施,包括热障涂层、轴向风孔和轴内风扇,并对新增不同冷却措施后电机内温度分布变化进行了对比研究。为电机冷却系统结构设计和评估其冷却效力提供理论参考。搭建高速永磁发电机试验研究平台,对不同转速和不同负载情况下的输出参数和关键位置工作温升进行了测量,总结被测参数随工作条件的变化规律;对相同试验条件下的电机电磁输出参数和温度分布进行了计算分析,验证分析方法和结果的可靠性。 为降低电机工作温升和改善电机内温度特别是减小轴向温差,对油冷系统槽内轴向冷却流道结构进行了优化设计研究。提出几种不同结构油冷流道,对比分析不同流道结构时电机内温度分布变化,并评估不同流道结构在改善电机温度分布的效力;进一步研究了流道高度和流道截面变化位置对电机内温度分布的综合作用影响,给出温度随流道结构参数变化的数学关系;以流道变化尺寸和位置为参变量,建立了以电机定子绕组、定子铁心和转子体位置的轴向最高温度和轴向温差均为最小的多目标二元优化函数,对电机密闭通油冷却通道结构进行了优化设计,找到了改善电机全域温度分布的流道结构方案,使电机全域内温度分布明显趋于均匀。 以一台置于微型燃气轮机的进气通道内开启式空气冷却高速永磁发电机为例,研究了空气冷却系统下高速永磁发电机内温度分布规律。基于电机的输出电磁性能,针对定子齿槽尺寸开展了优化设计研究,确定了电机内的损耗分布;建立电机全空冷三维流体-温度耦合计算分析模型,找出空冷系统下高速永磁发电机的三维温度分布规律;研究进气通道内风量和散热支撑筋板高度对电机内温度分布的影响;综合考虑定子槽口尺寸变化引起电机磁路和风路的改变以及由此造成的对电机输出电磁参数和温度分布影响,建立了以定子槽口高度为变量的电机电磁输出性能和转子温度多目标优化函数,对槽口高度开展电磁-温度联合优化研究。 关于高速永磁发电机内温度分布的研究,可为该类电机电磁计算、冷却系统设计、温度监测和优化设计提供参考。