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采用高速发电机的优势-100千瓦发电机组

福建快3   随着舰船电力系统从交流电制到直流电制的转变, 发电机不再受负载频率制约,采用高速发电机的优势明显[1]由于高速发电机的转速高,功率密度大,其重量 和体积远小于同容量的中低速发电机,并可与高速原动机直接相连,省去了传统的机械变速装置,因此大幅降低了整个发电系统的重量、体积和振动噪声[2]目前高速发电机已成为国内外的研究热点,主要分为电励磁同步发电机、永磁同步发电机和感应发电机三种类型[3]电励磁同步发电机需要电刷滑环或旋转整流装 置,存在转子结构复杂及励磁损耗大的问题,难以满 足高速运行时的机械强度和散热要求; 永磁同步发电机无需转子励磁装置,具有结构简单及效率高的优[4] 但传统永磁同步发电机的气隙磁场调节困难 从而导致输出电压不可控,成为制约其作为发电机的重要瓶颈; 感应发电机不仅具有转子结构简单的优势,而且通过定子上的交流励磁绕组能够实现电压调节,但交流 励磁绕组的无功功率相对较大,加大了定子热负荷[5]为了完善上述 3 种电机的不足,学者们提出了混合励磁发电机的技术路线[6-9]混合励磁发电机是在永磁发电机的基础上引入辅助励磁绕组,由永磁体建 立主磁场,辅助励磁绕组提供调节气隙磁场所需的磁动势[10-15]虽然混合励磁发电机增加了辅助励磁绕组,在效率和功率密度方面均要逊色于同类型的纯永磁发电机,但现有的纯永磁发电机均需要外接全功率 变流装置进行调压,随着输出功率的增加,这种全功 率变流装置会显著增加整个发电机系统的成本,且存在功率密度低、效率偏低和可靠性不高等缺点,从而削弱了永磁发电机本体的优势,因此,从整个发电机系统来看,在负载或转速变化时要求电压可调的应用场合,混合励磁发电机系统具有显著优势和实用价值。

  近年来在国内外研究人员的努力下,混合励磁发电机呈现出多种不同的结构,并达到不断的改进与创新。文献[10]设计了一台 100 kW 转子并列结构混合 励磁发电机,由于转子上需要电刷滑环提供励磁电 流,转子表面线速度难以达到 100 m / s。本文的研究 目标是转子表面线速度大于 150 m / s 的兆瓦级高速大 功率发电机,如果转子上有励磁绕组,将使转子结构 过于复杂而失去了永磁电机的优势,因此本文关注辅助励磁绕组位于定子上的混合励磁发电机。文 献[16]提出了一种铁心极与永磁极交错排列的转子混合磁极结构,辅助的环形励磁绕组位于定子铁心内, 通过调节环形励磁绕组电流来调节铁心极的气隙磁 场,从而达到调压的目的,但其铁心极和永磁极长度 相同,导致功率密度较低。文献[17,18]对上述电机的 结构进行优化和改进,增加了永磁部分的比例,并对电 机的原理、参数设计以及调压特性进行了研究,但未考 虑辅助励磁绕组对永磁极气隙磁场的影响。文献[19]提出了混合励磁型磁通切换电机,定子上既有永磁体又有电励磁绕组,转子结构简单,电枢绕组中的感应电动势是依靠转子磁阻变化产生,但用作高速发电时铁心损耗过大。文献[20,21]提出的爪极混合励磁发电机是利用定子端盖或特别设计的爪极结构为电励磁磁通提供磁路,实现发电机的无刷化,不足之处是存在附加气隙, 导致励磁容量增大,同时结构复杂,漏磁较严重,这些 都将导致发电机的损耗增加,从而降低发电机的效率。

  综上所述,国内外学者已经对混合励磁发电机做了许多工作[22-25]。现有的混合励磁发电机大多存在结构复杂、附加气隙大及利用系数不高等问题,过于强调气隙磁场的调节能力,而忽视了发电机的效率和功 率密度。特别是用作高速大功率发电机的混合励磁电 机还鲜见报道。



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