高速永磁同步电机的电磁性能分析和计算

高速永磁同步电机的电磁性能分析和计算

曹翼

上海电机系统节能工程技术研究中心有限公司上海 200063

Analysis and Calculation of Electromagnetic Performance of High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor

Cao Yi

Shanghai Engineering Research Center of Motor System Energy Saving Co., Ltd. Shanghai 200063 China

收稿日期: 2015-03-5 网络出版日期: 2015-10-25

基金资助:

资助基金情况：上海市企业自主创新专项资金产学研合作专题项目沪. CXY–2013–69
上海张江国家自主创新示范区专项发展资金重点项目. 201310–PT–B2–008

Received: 2015-03-5 Online: 2015-10-25

作者简介 About authors

曹翼, 男 1984年生,硕士,工程师,研究方向为永磁电机、特种电机电磁场计算和设计。

摘要

随着工业技术的快速发展,越来越多的高速机械需要高速电机作为动力设备。通过对高速永磁电机特点与关键技术的分析,在此基础上进行了一台330kW,25 000r/m高速永磁电机的电磁设计,提出了一种满足性能要求而且简单、可靠的结构。然后利用有限元仿真技术,计算了高速永磁电机的空、负载特性和电机内的电磁场,验证了这种结构的设计合理性。

关键词： 高速永磁电机 ; 电磁设计 ; 通风冷却 ; 有限元计算

Abstract

With the rapid development of industrial technology, more and more high-speed machines need high-speed motor as drive equipment. In this paper, the key technologies of high-speed permanent magnet motor are analyzed, an electromagnetic design of 330kW, 25 000r/m permanent magnet motor is carried on,a simple and reliable structure are proposed. Then, the finite element simulation technology is used to calculate the no-load and load characteristic of the motor. The result verifies the rationality of the design.

Keywords： High speed permanent magnet motor ; electromagnetic design ; ventilation and cooling ; finite element calculation

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本文引用格式

曹翼. 高速永磁同步电机的电磁性能分析和计算. 电气工程学报[J], 2015, 10(10): 75-81 doi:

Cao Yi. Analysis and Calculation of Electromagnetic Performance of High Speed Permanent Magnet Synchronous Motor. Journal of Electrical Engineering[J], 2015, 10(10): 75-81 doi:

1 引言

由于转速高,功率密度大,几何尺寸小,高速电机正成为国际电工领域的研究热点。国内外市场对高速电动机的需求日益剧增,高速电机的应用领域也越来越为广泛。如高速磨床及加工机床、高速飞轮储能系统、生物工程用的高速离心分离机、航空航天用的高速离心泵、高速离心压缩机和鼓风机等^[1-2]。

永磁电机由于其结构简单、功率密度高和无励磁损耗等优点适合用于高速电机。其设计主要特点有四个：①转子的转速高达每分钟数万转甚至十几万转,转子表面圆周速度可达100~200m/s以上,其dn（轴承平均直径与转速乘积）值可达200万以上,远远大于普通电机的指标,使电机的轴承和润滑系统选择比较困难;②如此高转速,导致电机转子表面摩擦损耗增大,转子冷却较为困难,给永磁体的持久运行带来危险;③定子绕组电流的高频率,一般在500~1 000Hz以上,因此在定子铁心材料和绕组导线的选取上设计取值范围与常规电机有较大不同,需慎重考虑;④表贴式永磁转子需采用护套保护永磁体,护套与转子之间采用过盈配合,过盈量较小时会导致护套脱落;反之过盈量较大时,其表面应力超过其可允许最大应力,会导致护套损坏;因此护套材料、尺寸及过盈量等的正确设计是永磁转子高速稳定运行的关键。上述这些特点决定了高速永磁电机的设计与传统的永磁电机设计结构有很大的不同,因此参考传统电机的设计方法和基于经典简化分析导出的计算公式很难保证高速永磁电机设计的准确性^[3-6]。

本文主要针对一台330kW、25 000r/m高速永磁电机设计需求,利用有限元分析软件按照设计指标,进行了定、转子结构设计,计算了高速永磁电机空、负载特性;同时在电机冷却和转子永磁体固定等方面做了精心设计,给出了一种高性能的技术方案,主要力能指标较好地满足了设计要求,同时在结构上满足了安全、可靠且高效的工艺生产要求。

2 高速永磁电机的电气设计

2.1 定子铁心设计问题

由于转速的增高,电机在一定设计极数下,必然需提高频率。按照电机设计理论,定子铁耗可由下式估算

（1）

式中,CFe为考虑冲片冲制、叠压等因素影响时的损耗修正系数;K0为定子铁心磁通密度为B0和频率为f0时的单位质量损耗;B和f为电机运行时定子铁心实际的磁通密度和频率;GFe为铁心质量^[7]。

从式（1）可以看出定子铁心中交变频率和运行磁密的增高,将带来铁心损耗大幅增加;而K0与冲片厚度有很大关系,其厚度越薄,K0越小;因此在铁心材料上必须选用厚度较薄,单位损耗较低的硅钢片材料。为了减小损耗,定子铁心齿部和轭部的磁密值也不能同常规设计一样取在饱和膝点附近,而是应在兼顾材料利用率情况下尽量取低。

本设计方案空载时磁密云图如图1所示,空载定子铁心损耗计算结果如图2所示。铁心内的损耗包括涡流损耗和磁滞损耗,根据电机定子区域内空载磁场计算结果,得到每个单元在一个周期内磁密分布,对磁密进行傅里叶分解,得到各次谐波对应分量,此时采用式（1）即可计算各次谐波产生的铁耗,所有定子铁心单元叠加后即可得到定子铁心损耗值。

从磁密云图和定子铁心损耗数据结果来看,处于比较合适的范围,既实现了铁心材料有效利用,又保证铁心损耗控制在可接受范围内。

图1

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图1 电机空载磁密云图

Fig.1 No-load flux density graph

2.2 定子绕组设计问题

2.2.1 定子绕组类型

根据电机绕组理论知识可知,对于60°相带电机,三相对称绕组合成磁势中包含的相带谐波次数为μ = 6k±1,k是包括零在内的正整数。其中次数较低,幅值最大的5、7次谐波磁势对电机性能影响最大。通常消弱气隙谐波的方法是采用双层短距绕组。但是这种方法只能消去特定阶次的谐波,例如,短距比可以消除5次谐波, 可消除7次谐波, 可同时削弱5、7次谐波,但是对于谐波要求更严的场合,其应用效果已不能满足要求^[8]。

高速永磁电机通常采用可以显著削弱谐波的绕组结构方式来减少谐波对电机性能的影响。常用的绕组形式有正弦（△- ）绕组和低谐波（同心不等匝）绕组等,这些低谐波绕组都能显著降低电机内的高次谐波,可根据实际需求进行选用。本设计方案每极每相槽数q = 3,选用了正弦（△- ）绕组轮换排列的联接方式,其特点是：在第一个极距内,三角形部分比星形部分多一个槽;而在第二个极距内,星形部分比三角形部分多一个槽,其余类推。这种绕组方式不仅能增强基波磁势,获得较高的基波绕组系数,而且大大降低了5、7、11、13等高次相带谐波,使电动机出力提高^[9]。

2.2.2 定子绕组线圈

对于本设计方案,由于电机极对数为2,因此电流频率达到了833.33Hz,在如此高频下,需考虑铜导线线径可能带来的的趋肤效应。根据正弦稳态电磁场理论,交变磁场在理想半无限大导体内的透入深度为

（2）

式中,ω为定子磁场的电角频率;µ和σ分别为铜导线的磁导率和电导率。

由式（2）计算,对于833.33Hz的交变磁场,其在铜导体中的透入深度约为 2.290mm,因此为了尽量消除趋肤效应,本设计方案中定子绕组采用12根直径为1.2mm 的导线并联制作。由于导体直径远小于透入深度,故趋肤效应带来的附加损耗可以忽略不计。

图2

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图2 空载定子铁心损耗

Fig.2 No-load stator core loss

2.3 转子磁钢设计

为确保永磁电机的相反电动势趋近正弦波形,同时使齿槽转矩幅值得到有效降低,对转子磁钢进行了优化设计。对图3中空载相反电动势波形进行傅里叶分解,其正弦波形畸变率只有1.53%。

图3

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图3 空载反电动势波形图

Fig.3 No-load EMF waveform

齿槽转矩是永磁电机绕组不通电时永磁体和铁心之间相互作用产生的转矩,是由于永磁体与电枢齿之间作用力的切向分量引起的,当永磁电机的定、转子存在相互运动时,在一极永磁体两侧面对应的电枢齿所构成的一小段区域内,磁导发生显著变化,引起磁场储能变化,从而产生齿槽转矩。从齿槽转矩定义来看,即为气隙磁场的储能对定转子位置角的负导数,如下式所示

（3）

（4）

式中,W为磁场储能;α为定转子相对位置角;B为气隙磁密。

计算中需做如下假设：①电枢铁心的磁导率无穷大;②不考虑安装中偏心导致的气隙长度不均匀,定转子铁心中心线一致;③永磁体材料的磁导率与空气一致。

如图4所示,计算齿槽转矩峰值为0.818N·m,仅占额定负载转矩的0.65%,这表明在永磁体形状优化和偏心设计的情况下,不仅使空载反电动势波形得到优化,而且齿槽转矩幅值得到明显降低,这将使电机在负载运行时,转矩脉动明显减小,运行平稳[10-11]。

图4

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图4 齿槽转矩波形图

Fig.4 Cogging torque waveform

2.4 转子铁心结构设计

目前稀土永磁转子所用的永磁体材料,为了防锈和保护一般是先整体电镀、充磁后,再使用粘接剂粘接到转子铁心上,这种结构的弊端在于永磁体镀层和粘接剂亲和性较差,粘接剂容易从镀层上脱落,进而造成永磁体与铁心分离。常见的还有在转子外径绕上比较厚的一种化工玻璃纤维,经高温150℃数小时以上的固化。这种方法制作工艺复杂,并且在高速离心力下玻璃纤维丝带存在破裂的不可靠性,而且永磁体在长时间高温下容易发生失磁情况[12-13]。

使用非导磁不锈钢护套能可靠保证电机在高温高速的工作条件下,永磁体不会从铁心上脱落飞溅,保证电机使用安全;而且因为其表面光滑、均匀,也减少了风摩损耗。图5为带护套转子结构图,护套和永磁体之间采用过盈配合,以抵消高速旋转时离心力产生的拉应力,并保证永磁体在转子高速旋转时始终承受适当的压应力。

图5

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图5 带护套永磁转子

Fig.5 Permanent magnet with sheath

由于不锈钢护套材料具有导电性,因此在高频谐波磁场下也会有涡流损耗产生,进而引起转子铁心发热,所以在材料使用上尽量选用电阻率较高的不锈钢护套;同时在保证强度的情况下,减薄护套厚度,以降低涡流损耗。计算涡流损耗需先求得每个单元内电流密度,然后整个区域内所有单元叠加即可得护套内涡流损耗。单元内涡流损耗为

（5）

式中,σ为材料的电导率;J为单元内电流密度;dA为剖分单元面积。

图6为额定负载情况下,护套内涡流损耗仿真值^[14]。

图6

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图6 额定负载时护套涡流损耗

Fig.6 Sheath eddy current loss at rated load

2.5 冷却结构设计

为有效降低电机内各部件温升水平,使电机运行稳定可靠,使用空–水冷却器对电机进行散热。图7为电机空–水冷却结构图。电机运行时产生的损耗热量经电机内部风路传递到冷却器芯,再和冷却水进行热交换。此种冷却方式比机座水道冷却结构简单,可靠性高,并且能有效冷却转子铁心和永磁体,确保永磁电机运行安全^[15]。

图7

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图7 电机冷却结构图

Fig.7 Motor cooling structure diagram

电机内部风路由冷却器外鼓风机和转子压板侧的径向式叶片提供风压,为了更加有效地给定子铁心散热,在定子铁心轭部开有圆周均布的通风孔槽,在保证足够通风面积的情况下,铁心轭部所开的孔不致使轭部磁密过高。风路流经转子铁心时,即能有效冷却定子绕组端部。转子铁心处同样开有通风孔槽,和气隙、定子通风孔槽形成3个并联风路。在定子铁心两端的机座处安装有挡风板,以减少风路风阻^[16]。

3 高速永磁电机有限元仿真和计算

根据技术指标,采用有限元软件对高速永磁电机进行电磁场计算。有限元分析计算是模拟电机的瞬态运动过程,可较为准确地计算电机内磁场分布、部件铁心损耗、电流和转矩参数等。本文采用1/4单元电机模型,利用周期性边界条件简化计算模型。

3.1 磁钢工作点和漏磁系数计算

有限元对永磁电机进行计算时,求得结果是求解区域内各个节点的磁位,并不能直接得到磁钢工作点和漏磁系数,而这两个参数是永磁电机“磁路法”重要计算参数。通过有限元计算结果得到这两个数值后,能更好地修正传统设计方法中这两个参数的计算结果,修改不合理的设计参数,从而实现场路结合计算。图8为有限元计算场域及求解点图。