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高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化
2017-11-11 閱讀(200)
同步電機(jī)采用超導(dǎo)勵(lì)磁繞組，可以大大提高電機(jī)磁場(chǎng)強(qiáng)度，使其具有效率高、重量輕、體積小等顯著特點(diǎn)為我們提供了更加的選擇[1]-[3]。圖1為超導(dǎo)電機(jī)的基本模型。高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)主要包括，定子繞組，轉(zhuǎn)子繞組，磁屏蔽，阻尼器，真空層，支撐架，冷卻系統(tǒng)等組成，其中除了磁屏蔽其余的都是非導(dǎo)磁材料。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)超導(dǎo)電機(jī)的研究取得了一定成果。文獻(xiàn)[4]介紹了勵(lì)磁繞組為超導(dǎo)材料空心轉(zhuǎn)子高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組的結(jié)構(gòu)以及制作工藝，并對(duì)電機(jī)勵(lì)磁繞組進(jìn)行了冷卻測(cè)試，發(fā)現(xiàn)高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)重量輕，氣隙磁密比普通電機(jī)大等優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[5]介紹了100hp高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)超導(dǎo)勵(lì)磁繞組制造以及包括勵(lì)磁繞組的臨界電流特性，伏安特性以及垂直于超導(dǎo)帶的磁密分布等特性。文獻(xiàn)[6]對(duì)高溫超導(dǎo)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，增加了勵(lì)磁繞組的臨界電流和電機(jī)氣隙徑向磁密。
影響超導(dǎo)電機(jī)氣隙磁密包括多個(gè)方面。磁屏蔽厚度，勵(lì)磁線(xiàn)圈材料的特性，轉(zhuǎn)子繞組的勵(lì)磁電流大小，勵(lì)磁繞組線(xiàn)圈的匝數(shù)等均對(duì)超導(dǎo)電機(jī)氣隙的磁密產(chǎn)生影響，其中磁屏蔽的作用還能防止定子的磁場(chǎng)向外發(fā)散[7]-[8]。本文主要通過(guò)有限元并結(jié)合遺傳算法，對(duì)電機(jī)磁屏蔽和勵(lì)磁繞組的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。
2.電機(jī)的優(yōu)化過(guò)程及電磁場(chǎng)計(jì)算
2.1 優(yōu)化方法
本文在Matlab軟件基礎(chǔ)上利用遺傳算法編程通過(guò)多次調(diào)用Ansys軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。由于定子繞組為星形連接，線(xiàn)電動(dòng)勢(shì)中沒(méi)有3次諧波以及3的倍數(shù)次諧波，因此不用考慮三及三的倍數(shù)次諧波磁密。
遺傳算法是一種與傳統(tǒng)優(yōu)化算法*不同的優(yōu)化搜索算法。該算法是從一個(gè)種群開(kāi)始，利用選擇、交叉、變異等遺傳算子對(duì)種群進(jìn)行不斷進(jìn)化的操作，zui后得到全局*解[9]。具體優(yōu)化過(guò)程如圖2，圖2為遺傳算法流程圖。
2.2 電機(jī)電磁場(chǎng)計(jì)算
高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁繞組采用高溫超導(dǎo)材料，定子繞組采用傳統(tǒng)銅線(xiàn)，其中勵(lì)磁繞組采用四層“雙跑道”結(jié)構(gòu)，磁屏蔽采用的是鐵磁材料。式1為高溫超導(dǎo)發(fā)電機(jī)電磁場(chǎng)的二維數(shù)學(xué)模型，圖3為電機(jī)的二維切面圖，圖4為電機(jī)的二維磁力線(xiàn)圖。
(1)
式中，Ω為電磁場(chǎng)計(jì)算區(qū)域；v為磁阻率，v=1/u，u為磁導(dǎo)率；A—磁矢位，因?yàn)锳只有軸分量，故可寫(xiě)成標(biāo)量形式；Jz—源電流密度；Ht—磁場(chǎng)強(qiáng)度的切向分量；Γ1—*類(lèi)邊界；Γ2—第二類(lèi)邊界。
3.優(yōu)化結(jié)果分析
3.1 磁屏蔽優(yōu)化
由于磁屏蔽結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)高溫超導(dǎo)電機(jī)的磁密波形有一定影響，本文首先對(duì)磁屏蔽內(nèi)徑外徑進(jìn)行了優(yōu)化，并將優(yōu)化結(jié)果與優(yōu)化前進(jìn)行了對(duì)比分析。如圖5為優(yōu)化前后氣隙磁密波形圖對(duì)比，圖6為優(yōu)化前后各次諧波磁密幅值對(duì)比。發(fā)現(xiàn)，除7次諧波之外，其余各次諧波幅值均降低，氣隙磁密波形得到改善。
3.2 勵(lì)磁繞組結(jié)構(gòu)優(yōu)化
高溫超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的結(jié)構(gòu)對(duì)電機(jī)的氣隙磁密波形有重要的影響，因此本文在上一節(jié)結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)勵(lì)磁繞組每層彎曲直徑以及每層匝數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如圖7為勵(lì)磁繞組其中一極的切面圖，其中N1、N2、N3、N4為勵(lì)磁繞組每層匝數(shù)，E1、E2、E3、E4為勵(lì)磁繞組每層彎曲直徑。本文N1、N2、N3、N4、E1、E2、E3、E4為優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)化。圖8為優(yōu)化前后氣隙磁密波形圖對(duì)比，圖9為優(yōu)化前后氣隙諧波磁密幅值對(duì)比。發(fā)現(xiàn)各次諧波幅值均降低，電機(jī)氣隙磁密得到進(jìn)一步改善。
4.優(yōu)化前后電動(dòng)勢(shì)對(duì)比
為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可靠性本文利用時(shí)步有限元對(duì)優(yōu)化前后電機(jī)模型的空載電動(dòng)勢(shì)進(jìn)行了計(jì)算。如圖12為優(yōu)化前后空載電動(dòng)勢(shì)波形對(duì)比，圖13為優(yōu)化前后諧波電動(dòng)勢(shì)幅值對(duì)比。發(fā)現(xiàn)空載電動(dòng)勢(shì)各次諧波幅值明顯降低(除三及三的倍數(shù)次諧波)，電動(dòng)勢(shì)波形得到明顯改善。
5.勵(lì)磁繞組磁場(chǎng)分析
為了確保電機(jī)勵(lì)磁繞組超導(dǎo)帶的穩(wěn)定性，本文對(duì)勵(lì)磁繞組部分進(jìn)行了磁場(chǎng)分析。
5.1 勵(lì)磁繞組超導(dǎo)帶特性
高溫超導(dǎo)帶對(duì)垂直磁場(chǎng)的敏感程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平行磁場(chǎng)等特性，所以應(yīng)該避免垂直超導(dǎo)帶表面的磁場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大，使勵(lì)磁繞組失超；同時(shí)高溫超導(dǎo)帶臨界電流密度與冷卻溫度也有很大關(guān)系[10]-[13]，本電機(jī)的勵(lì)磁繞組冷卻溫度設(shè)定為30K。圖13為不同溫度下超導(dǎo)帶臨界電流隨垂直于超導(dǎo)帶表面磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的特性曲線(xiàn)，圖14為不同溫度下超導(dǎo)帶臨界電流隨平行于超導(dǎo)帶表面磁場(chǎng)強(qiáng)度變化的特性曲線(xiàn)。
5.2 勵(lì)磁繞組穩(wěn)定性分析
為了確保超導(dǎo)帶的穩(wěn)定性，本文計(jì)算了勵(lì)磁繞組表面磁場(chǎng)強(qiáng)度，并對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行提取。圖15為垂直于超導(dǎo)帶表面磁場(chǎng)強(qiáng)度三維分布圖，圖16為平行于超導(dǎo)帶表面磁場(chǎng)強(qiáng)度三維分布圖。其中，勵(lì)磁繞組超導(dǎo)帶表面zui大垂直磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.0597T，zui大平行磁場(chǎng)強(qiáng)度為1.8967T。發(fā)現(xiàn)，勵(lì)磁繞組超導(dǎo)帶的安全裕度均超過(guò)了150%，因此勵(lì)磁繞組穩(wěn)定性比較高。
6.結(jié)論
本文通過(guò)使用有限元并結(jié)合遺傳算法通過(guò)多次調(diào)用Ansys實(shí)現(xiàn)先后對(duì)高溫超導(dǎo)電機(jī)磁屏蔽內(nèi)徑外徑及勵(lì)磁繞組的內(nèi)徑以及每層匝數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電機(jī)氣隙磁密的大部分諧波幅值明顯降低(三次及三的倍數(shù)次除外)，氣隙磁密波形得到有效改善，空載電動(dòng)勢(shì)諧波幅值明顯降低，驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的正確性。zui后對(duì)優(yōu)化后勵(lì)磁繞組磁場(chǎng)進(jìn)行了分析，確定了勵(lì)磁繞組的穩(wěn)定性。因此，電機(jī)穩(wěn)定性得到有效提高。
