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采用高速發電機的優勢

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采用高速發電機的優勢

發布日期:2019-10-24 作者: 點擊:

        隨著艦船電力係統從交流電製到直流電製的轉變, 發電機不再受負載頻率限製,采用高速發電機的優勢明顯[1]。由於高速發電機的轉速高,功率密度大,其重量 和體積遠小於同容量的中低速發電機,並可與高速原動機直接相連,省去了傳統的機械變速裝置,因此大幅降 低了整個發電係統的重量、體積和振動噪聲[2]。目前高 速發電機已成為國內外的研究熱點,主要分為電勵磁同 步發電機、永磁同步發電機和感應發電機三種類型[3]。 電勵磁同步發電機需要電刷滑環或旋轉整流裝 置,存在轉子結構複雜及勵磁損耗大的問題,難以滿 足高速運行時的機械強度和散熱要求; 永磁同步發電 機無需轉子勵磁裝置,具有結構簡單及效率高的優[4] 但傳統永磁同步發電機的氣隙磁場調節困難 從而導致輸出電壓不可控,成為製約其作為發電機的重要 瓶頸; 感應發電機不僅具有轉子結構簡單的優勢,而且 通過定子上的交流勵磁繞組能夠實現電壓調節,但交流 勵磁繞組的無功功率相對較大,加大了定子熱負荷[5]。 為了改善上述 3 種電機的不足,學者們提出了混 合勵磁發電機的技術路線[6-9]。混 合勵磁發電機是在 永磁發電機的基礎上引入輔助勵磁繞組,由永磁體建 立主磁場,輔助勵磁繞組提供調節氣隙磁場所需的磁 動勢[10-15]。雖 然混合勵磁發電機增加了輔助 勵 磁 繞 組,在效率和功率密度方麵均要遜色於同類型的純永 磁發電機,但現有的純永磁發電機均需要外接全功率 變流裝置進行調壓,隨著輸出功率的增加,這種全功 率變流裝置會顯著增加整個發電機係統的成本,且存 在功率密度低、效率偏低和可靠性不高等缺點,從而 削弱了永磁發電機本體的優勢,因此,從整個發電機 係統來看,在負載或轉速變化時要求電壓可調的應用場合,混合勵磁發電機係統具有顯著優勢和實用價值。

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  近年來在國內外研究人員的努力下,混合勵磁發 電機呈現出多種不同的結構,並得到不斷的改進與創 新。文獻[10]設計了一台 100 kW 轉子並列結構混合 勵磁發電機,由於轉子上需要電刷滑環提供勵磁電 流,轉子表麵線速度難以達到 100 m / s。本文的研究 目標是轉子表麵線速度大於 150 m / s 的兆瓦級高速大 功率發電機,如果轉子上有勵磁繞組,將使轉子結構 過於複雜而失去了永磁電機的優勢,因此本文重點關 注輔助勵磁繞組位於定子上的混合勵磁發電機。文 獻[16]提出了一種鐵心極與永磁極交錯排列的轉子混 合磁極結構,輔助的環形勵磁繞組位於定子鐵心內, 通過調節環形勵磁繞組電流來調節鐵心極的氣隙磁 場,從而達到調壓的目的,但其鐵心極和永磁極長度 相同,導致功率密度較低。文獻[17,18]對上述電機的 結構進行優化和改進,增加了永磁部分的比例,並對電 機的原理、參數設計以及調壓特性進行了研究,但未考 慮輔助勵磁繞組對永磁極氣隙磁場的影響。文獻[19]提 出了混合勵磁型磁通切換電機,定子上既有永磁體又有 電勵磁繞組,轉子結構簡單,電樞繞組中的感應電動勢 是依靠轉子磁阻變化產生,但用作高速發電時鐵心損耗 過大。文獻[20,21]提出的爪極混合勵磁發電機是利用 定子端蓋或特別設計的爪極結構為電勵磁磁通提供磁 路,實現發電機的無刷化,不足之處是存在附加氣隙, 導致勵磁容量增大,同時結構複雜,漏磁較嚴重,這些 都將導致發電機的損耗增加,從而降低發電機的效率。


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