高温超导发电机的结构优化

    【摘要】为了降低高温超导发电机气隙磁密的谐波幅值，提高超导电机的稳定性。本文在
Ansys 基础上通过有限元电磁场计算并结合遗传算法对高温超导发电机屏蔽和励磁绕组的
结构参数进行了优化，结果发现气隙磁密各次谐波幅值明显降低，气隙磁密波形得到明显
改善。为了验证优化效果，本文利用时步有限元对优化前后电机模型进行空载电动势计算，
发现空载谐波电动势幅值明显降低。最后本文分析了优化后励磁绕组磁场强度，进而分析了
励磁绕组稳定性。
　　【关键词】遗传算法；励磁绕组；有限元；电机屏蔽
　　

1.引言

　　同步电机采用超导励磁绕组，可以大大提高电机磁场强度，使其具有效率高、重量轻、
体积小等显著特点为我们提供了更加的选择

[1]-[3]。图 1 为超导电机的基本模型。高温超导

发电机主要包括，定子绕组，转子绕组，磁屏蔽，阻尼器，真空层，支撑架，冷却系统等
组成，其中除了磁屏蔽其余的都是非导磁材料。近年来国内外对超导电机的研究取得了一定
成果。文献

[4]介绍了励磁绕组为超导材料空心转子高温超导发电机的励磁绕组的结构以及

制作工艺，并对电机励磁绕组进行了冷却测试，发现高温超导发电机重量轻，气隙磁密比
普通电机大等优势。文献

[5]介绍了 100hp 高温超导发电机超导励磁绕组制造以及包括励磁

绕组的临界电流特性，伏安特性以及垂直于超导带的磁密分布等特性。文献

[6]对高温超导

电动机励磁绕组的结构参数进行了优化，增加了励磁绕组的临界电流和电机气隙径向磁密。
　　影响超导电机气隙磁密包括多个方面。磁屏蔽厚度，励磁线圈材料的特性，转子绕组的
励磁电流大小，励磁绕组线圈的匝数等均对超导电机气隙的磁密产生影响，其中磁屏蔽的
作用还能防止定子的磁场向外发散

[7]-[8]。本文主要通过有限元并结合遗传算法，对电机磁

屏蔽和励磁绕组的结构参数进行了优化。
　　

2.电机的优化过程及电磁场计算

　　

2.1 优化方法

　　本文在

Matlab 软件基础上利用遗传算法编程通过多次调用 Ansys 软件，实现对高温超

导发电机的结构优化。由于定子绕组为星形连接，线电动势中没有

3 次谐波以及 3 的倍数次

谐波，因此不用考虑三及三的倍数次谐波磁密。
　　遗传算法是一种与传统优化算法完全不同的优化搜索算法。该算法是从一个种群开始，
利用选择、交叉、变异等遗传算子对种群进行不断进化的操作，最后得到全局最优解

[9]。具

体优化过程如图

2，图 2 为遗传算法流程图。

　　

2.2 电机电磁场计算

　　高温超导发电机励磁绕组采用高温超导材料，定子绕组采用传统铜线，其中励磁绕组
采用四层

“双跑道”结构，磁屏蔽采用的是铁磁材料。式 1 为高温超导发电机电磁场的二维数

学模型，图

3 为电机的二维切面图，图 4 为电机的二维磁力线图。

　　（

1）

　　式中，

Ω 为电磁场计算区域；v 为磁阻率，v=1/u，u 为磁导率；A—磁矢位，因为 A 只

有轴分量，故可写成标量形式；

Jz—源电流密度；Ht—磁场强度的切向分量；Γ1—第一类

边界；

Γ2—第二类边界。

　　

3.优化结果分析

　　

3.1 磁屏蔽优化

　　由于磁屏蔽结构尺寸对高温超导电机的磁密波形有一定影响，本文首先对磁屏蔽内径
外径进行了优化，并将优化结果与优化前进行了对比分析。如图

5 为优化前后气隙磁密波形

图对比，图

6 为优化前后各次谐波磁密幅值对比。发现，除 7 次谐波之外，其余各次谐波幅

值均降低，气隙磁密波形得到改善。