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采用高速发电机的优势

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采用高速发电机的优势

发布日期:2019-10-24 作者: 点击:

        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限制,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]。 为了改善上述 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。

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  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,并得到不断的改进与创 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,因此本文重点关 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。


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