高速永磁发电机时空多谐波复杂电磁场耦合机理研究

The converter is a nonlinear load for high-speed permanent magnet generator (HSPMG), which will generate time harmonics in the machine. Then the rotor losses caused by the harmonics in HSPMG will be increased greatly, which directly reduces the reliability of HSPMG. In order to obtain a new breakthrough in the rotor harmonic loss research, the study on the coupling field mechanism of space-time harmonics becomes an important and urgent issue. The primary goal of this project is to reveal the relationships between the space harmonic field and time harmonic field in the generator affected by the interaction of the machine and nonlinear load. A method is proposed to separate the space harmonic from the time harmonic, and the variation of the space-time harmonics is discovered . The coupling mechanism of space-time harmonic field in HSPMG and its influence on rotor losses are determined by theoretical analysis, finite element method and test verification. Furthermore, the optimal matching between the generator structure and the converter parameters is developed to reduce the rotor eddy current losses. This project will provide theoretical basis for preventing the permanent magnet thermal demagnetization and increasing the reliability of the machine.

高速永磁发电机非线性负载运行时电机内谐波磁场会引起转子部分(合金护套和永磁体)损耗急剧增大，直接威胁高速永磁电机安全可靠的运行。为了在高速电机转子谐波损耗研究方面获得新突破，开展高速永磁发电机非线性负载运行多谐波复杂电磁场时空耦合机理的研究成为一个重要和紧迫的课题。本项目首要目标在于揭示分布式供能系统高速永磁发电机与变流控制器非线性负载相互影响作用下电机内复杂电磁场之间的关系，提出高速永磁发电机时空谐波磁场解耦分离的新方法，找出电机内部时空谐波磁场相互叠加、增强、削弱的变化特点; 基于理论分析、解析计算、时步有限元计算以及试验验证等方法，确定电机内多谐波复杂电磁场相互耦合作用机理及其对电机谐波损耗的影响，在此基础上，进一步探索研究在降低转子涡流损耗方面高速永磁发电机结构设计与变流控制器参数最优匹配关系及相关优化方法，为防止永磁体高温失磁、提高永磁电机运行可靠性提供理论基础。

电机内谐波磁场会引起高速永磁发电机各部分损耗急剧增大，直接威胁高速电机安全可靠的运行，因此开展高速电机多谐波复杂电磁场及其损耗的相关研究具有重要的意义。本项目从电机运行实际工况出发，结合电磁耦合、场路耦合以及时间谐波空间谐波耦合理论，系统地研究了电机与变流控制器多耦合影响因素对电机转子涡流损耗的影响，揭示了复杂时空谐波磁场的耦合机理；采用时空谐波磁场分离方法确定了影响电机转子涡流损耗及转子温升的关键因素，揭示了电机与变流控制器多影响因素耦合与电机能耗温升之间的关系，进而提出了电机结构设计与变流控制器策略及参数的最优匹配方式。.项目研究过程中提出了定转子双坐标系永磁电机高频时间谐波和低频空间谐波磁场交叉耦合矩阵，能够快速分析出高频时间谐波对电机定子损耗、转子涡流损耗的影响机理，确定影响电机损耗与性能的关键因素，极大程度地提高电机优化的效率。项目确定了高频时间谐波和整流负载控制参数对高速永磁发电机能耗温升的影响规律，揭示了电机电磁结构参数与整流负载控制参数的相互影响机理，为变流控制器与电机结构最优匹配设计提供理论支撑，同时为有效降低时间谐波对发电机的影响提供参考。.通过本项目对变流控制器与电机结构最优匹配设计，可以使电流谐波畸变率（THD）保持在1.8%左右，有效降低涡流损耗20%以上，而且确保变流控制器的开关损耗在合理范围内，使得系统综合效率有效提升，进一步降低了电机内部各部分温度，尤其可以使永磁体温度大幅降低。项目研究结果为防止永磁体高温失磁、提高永磁电机运行可靠性提供理论基础。