舰船用高功率密度定子励磁型混合励磁永磁发电机研究

Integrated Power System (IPS) technology is another profound revolution for vessel power platform. After the successful application of Power Generation Module (PGM) in the IPS using high-power multiphase rectified induction generator and electric excitation synchronous generator, high-speed permanent magnet generator (HSPMG) has become the important development direction of IPS in the future. Although HSPMG has the advantage of high power density, it has obvious disadvantage in the output voltage regulation ability.. In this project, a new type of hybrid excitation permanent magnet generator with stator excitation (SEHEPMG) for medium to high power rating vessel power platform is proposed based on the existing voltage regulation methods of permanent magnet generator. It is difficult to analyze the electromagnetic field and operating performance of SEHEPMG with its three-dimensional characteristics of the internal magnetic field, and optimization design of SEHEPMG is time-consuming. In order to solve this problem, the idea of using three-dimensional model of SEHEPMG to be equivalent to several two-dimensional models is proposed. On this basis, this project will carry out the magnetic field efficient analysis method, field-circuit coupling analysis method and electromagnetic design method of SEHEPMG. The voltage regulating capacity boundary and the characteristics of electromagnetic vibration source of this kind of hybrid excitation generator are analyzed. The research results lay a foundation for the popularization and application of SEHEPMG and have certain academic value.

综合电力技术是舰船动力平台的又一次深刻变革。继中大功率多相整流高速异步发电机、大功率多相整流电励磁同步发电机成功应用于综合电力系统发电模块之后，高速永磁发电机因其具有功率密度高的优点已成为下一代综合电力技术发电模块的重要发展方向，但其在输出电压调节能力上存在着较明显的劣势。. 在目前现有的高速永磁发电机调压方式基础上，本项目提出了一种适用于舰船用中大功率定子励磁型混合励磁永磁发电机拓扑结构。针对此类型电机内部磁场三维特征明显而导致的气隙磁场、运行性能分析困难，电机设计耗时等问题，本项目提出将电机三维模型等效为多个二维模型的思想，在此基础上开展电机磁场高效分析、电机性能“场-路耦合”分析以及电机电磁设计等方法的研究，分析此类混合励磁发电机的调压能力边界及电磁振源的特点。研究成果为此类电机的推广应用奠定基础，具有一定的学术价值。

综合电力技术是舰船动力平台的又一次深刻变革。继中大功率多相整流高速异步发电机、大功率多相整流电励磁同步发电机成功应用于综合电力系统发电模块之后，高速永磁发电机因其具有功率密度高的优点已成为下一代综合电力技术发电模块的重要发展方向。.在目前现有的高速永磁发电机调压方式基础上，本项目提出了一种适用于舰船用中大功率定子励磁型混合励磁永磁发电机拓扑结构。针对此类型电机内部磁场三维特征明显而导致的气隙磁场、运行性能分析困难，电机设计耗时等问题，本项目提出将电机三维模型等效为多个二维模型的思想，在此基础上开展电机磁场高效分析、电机电磁性能分析以及电机电磁设计等方法的研究，取得了以下重要结果：.1.基于定子励磁型混合励磁永磁电机三维磁路的二维等效，提出了此类电机的稳态性能快速分析方法，在此基础上开展了定子励磁型混合励磁永磁电机三维气隙磁场的分析、径向电磁力波分析等工作，并结合原理样机的空载振动特性试验测试结果，对此类发电机径向电磁力波的特有规律进行了验证。.2.建立了发电机的仿真模型并对其稳态及暂态电磁性能进行了分析，通过与原理样机的试验数据进行对比，结果表明定子励磁型混合励磁永磁发电机数学模型的正确性，以及利用此数学模型可以显著减少此类发电机电磁性能分析的时间成本。.3.由原理样机试验结果可知：突然短路时，定子励磁型混合励磁永磁发电机的短路电流峰值明显小于功率等级相当的传统电励磁同步发电机。分析可知该类型电机的直轴超瞬变电抗xd''要明显大于功率等级相当的传统电励磁同步发电机。这一特点有利于中大功率等级定子励磁型混合励磁永磁发电机断路器设计选型。.4.在电磁性能分析的基础上，本项目提出了根据发电机的调压能力要求确定定子励磁型混合励磁永磁发电机中永磁部分和辅助励磁部分轴向长度比例的计算方法，并对此类电机的设计流程进行了总结。.研究成果为此类电机的推广应用奠定了基础，具有一定的学术价值和工程应用价值。