电气工程学报, 2018, 13(10): 17-21 doi: 10.11985/2018.10.004

不同转子护套高速永磁电机分析

王大朋, 赵广泰

沈阳工业大学电气工程学院 沈阳 110870

Analysis of High Speed Permanent Magnet Motor for Different Rotor Sheath

Wang Dapeng, Zhao Guangtai

Shenyang University of Technology Shenyang 110870 China

收稿日期: 2018-05-28   网络出版日期: 2018-10-31

Received: 2018-05-28   Online: 2018-10-31

作者简介 About authors

王大朋 男 1976年生,博士,讲师,主要从事高速电机的设计、分析、研究工作。

赵广泰 男 1993年生,研究生,研究方向为电机与电器 。

摘要

本文对300kW、15 000r/min的高速永磁同步电机进行了设计,针对表贴式转子结构,分别对碳纤维、合金钢护套的高速永磁同步电机进行了损耗分析和温度场分析,设计了大功率高速永磁电机并进行了参数方面的介绍。基于有限元分析使用软件对电机进行仿真,得到铁损耗等数据并进行了分析。仿真结果表明,合金钢护套下电机的发热比较严重。

关键词： 永磁同步电机 ; 温度场 ; 损耗分析 ; 护套 ; 碳纤维 ; 合金钢

Abstract

In this paper, 300kW, 15 000r/min high speed permanent magnet synchronous motor is designed. For surface mounted respectively on high speed rotor structure, carbon fiber and alloy steel sheath of permanent magnet synchronous motor motor are analyzed. For high power and high speed permanent magnet motor, the parameters are designed and the temperature field and the loss are analyzed. Based on the finite element analysis, the software is used to simulate the motor, and the data such as iron loss are obtained, and the data obtained are analyzed. By comparing the simulation results, it is found that the heating of the motor under the alloy steel sheath is more serious.

Keywords： Permanent magnet synchronous motor ; temperature field ; loss analysis ; sheath ; carbon fiber ; alloy steel

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王大朋, 赵广泰. 不同转子护套高速永磁电机分析. 电气工程学报[J], 2018, 13(10): 17-21 doi:10.11985/2018.10.004

Wang Dapeng. Analysis of High Speed Permanent Magnet Motor for Different Rotor Sheath. Journal of Electrical Engineering[J], 2018, 13(10): 17-21 doi:10.11985/2018.10.004

1 引言

高速电机有三个主要特点：一是转子的高速旋转;二是定子绕组电流和铁心中磁通的高频率;三是电机的功率密度和损耗密度都较大[1]。由此决定了不同于普通电机的高速电机特有的关键技术。近年来,高速电机在工业、航空航天等领域展示了广阔的应用前景。高速电机与同功率的传统电机相比体积小[2],功率密度大,可以有效地节省材料;由于高速电机的转动惯量较小,所以动态响应较快;高速电机能够与原动机或高速负载直接相连,省去了传统的机械变速装置,不仅减小了噪声,而且极大地提高了系统的传动效率[3]。高速电机的研究与应用符合节能减排的经济发展需要,目前已成为国际电工领域的研究热点之一。基于以上优点,高速电机在高速磨床、空气循环制冷系统、储能飞轮、燃料电池、天然气输送高速离心压缩机以及作为飞机或舰载供电设备的分布式发电系统等领域广泛应用,特别是高速永磁电机,由于其结构简单,力能密度高、无励磁损耗和效率高等优点,在中、小型高速电机中的应用最为广泛。鉴于高速永磁电机的优点和在工业上的广泛应用,高速永磁电机的设计与研究对整个工业发展意义重大[4]。

2 电机结构及基本参数

电机结构如图1所示,基本参数见表1。

图1

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图1   槽型示意图

Fig.1   Channel diagram


槽型数据：Hs0：8mm;Hs1：1mm;Hs2：42mm;Bs0：3.5mm;Bs1：10mm;Bs2：13.6mm;Rs：0mm。

表1   电机设计基本参数

Tab.1  Basic parameters of motor design

名 称数 值
定子外径D1/mm355
定子内径DI1/mm190
转子外径D2/mm176
转子内径DI2/mm70
定子铁心长度L/mm130
定子槽数Z136

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图2

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图2   合金护套下的定子铁心损耗

Fig.2   Core loss of stator core under alloy sheath


图3

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图3   碳纤维护套下的定子铁心损耗

Fig.3   Core loss of stator core under carbon fiber sheath


3 不同护套下的电机损耗分析对比

3.1 铁心损耗对比分析

目前,计算分析高速永磁电机铁心损耗广泛采用的计算模型是Bettotti分立模型。此模型将铁心损耗按形成原理分为磁滞损耗、涡流损耗以及异常损耗[5]。即

式中,Kh、Kc、Ka为各项损耗系数,一般都为常数,可以通过对不同磁密和频率下铁耗的测量值进行拟合得到;Bm、f分别为正弦交变的频率的磁密幅值。

应用有限元法得到电机每个单元内磁密的变化波形,由式（1）可得对应的铁心损耗值,相加即可得到电机的总损耗[6]。

3.2 涡流损耗的对比分析

转子涡流损耗的计算方法有解析法和有限元法。对于表贴式高速电机,常用解析法忽略电机的齿槽,假设铁心的磁导率无限大,用分布在槽口的电流片代替槽导体,将电机简化为多层同心圆模型,用分离变量法求麦克斯韦方程,得到各区域内磁矢量A[7]。

涡流区域

不导电区域

载流区域

涡流区域的损耗计算式为

仿真得到涡流损耗曲线如图4~图7所示。

图4

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图4   碳纤维护套下的永磁体损耗曲线

Fig.4   The permanent magnet loss curve of carbon fiber sheath


图5

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图5   碳纤维护套损耗曲线

Fig.5   Carbon fiber sheath losses curre


图6

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图6   合金钢护套下永磁体涡流损耗曲线

Fig.6   Eddy current loss curve of permanent magnet under alloy steel sheath


图7

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图7   合金钢护套损耗曲线

Fig.7   Loss curre of alloy steel sheath


3.3 铜耗计算

查询铜的电阻率ρ,然后根据漆包线的面积（S）和长度（l）计算[8]。

电机电阻

电机铜耗

表2为损耗比较。可以看出,在额定负载下,合金钢护套电机损耗最大。

表2   损耗比较列表

Tab.2  Loss comparison list

定子铁心
损耗/kW		护套涡流
损耗/W		永磁体涡流
损耗/W		铜耗
/W		总损耗
/W
碳纤维1.4125961 7883 232
合金钢1.4340361 7883 517

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4 高速电机温升分析

本文在一台300kW、15 000r/min永磁同步电机的基础上,利用有限元分析法分析了不同护套的温升情况。根据电机内流体流动和传热情况给出了温度场计算相应的边界条件[9]如下：

（1）风路采用流固组合,设定为湍流模型,给定相应的10m/s的入口速度和315K的环境温度。

（2）对定子槽内绝缘进行了等效处理。

（3）电机的定子、绕组、护套和永磁体加载的相应温度,作为相应热源。

（4）电机的转子部分设定旋转速度,模拟实际电机的旋转。

不同护套方案下电机的温升分析如图8~图13所示。

图8

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图8   合金护套下的电机温升图

Fig.8   The temperature rise diagram of motor under alloy sheath


图9

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图9   碳纤维护套下的电机温升图

Fig.9   The temperature rise diagram of the motor under carbon fiber sheath


图10

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图10   碳纤维电机轴向温度分布

Fig.10   Carbon fiber motor axial temperature distribution


图11

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图11   合金钢电机轴向温度分布

Fig.11   Axial temperature distribution of alloy steel motor


图12

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图12   碳纤维电机径向温度分布

Fig.12   Radial temperature distribution of carbon fiber motor


图13

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图13   合金钢电机径向温度分布

Fig.13   Radial temperature distribution of alloy steel motor


由图10~图13及表3可以看出,不同护套下永磁体温度均在安全范围之内。其中,永磁体和护套上的温度最高,这是因为永磁体外有一层碳纤维保护套,碳纤维的导热系数较低,导致永磁体散热困难。

表3   不同护套电机各部件最高温度值

Tab.3  The maximum temperature value of each part of different sheath motor （单位：K）

部件纤维护套合金护套
转轴334335
转子铁心332335
永磁体334337
护套335338
绕组338356
定子铁心362370
机壳385398

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5 结束语

本文所采用的的NdFeB永磁体材料所能承受的最大温度约为453K[10]。当永磁体温度高于该温度时,永磁体可能会发生不可逆退磁,严重影响电机的可靠运行,因此在设计电机时,应该使永磁体保持在423K以下。温度场分析及损耗分析表明,两种方案下,纤维护套效果较好,且永磁体最高温度均低于423K。

参考文献

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Fractional-slot permanent-magnet (PM) machines have several advantages, but they suffer from the high content of space harmonics in the air-gap magnetomotive force (MMF) distribution. The MMF space harmonic amplitude and frequency depend on the particular combination of numbers of slots and poles. Such harmonics induce losses in the rotor since they are not synchronous with the rotor speed. This paper compares several kinds of machines with the same stator lamination but with different numbers of phases; three-, five-, and seven-phase PM machines are considered. Several winding configurations are compared, changing the number of poles but maintaining the same number of slots. Although in each case there is a reduction in terms of harmonic content, it is shown that rotor loss reduction is lower than expected. Some considerations about the harmonic impact are given. Although no experimental results are given, this paper refers to previous works in which rotor losses have been investigated and measured experimentally.

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由于结构简单、高效率和高功率密度，永磁转子成为高速电机的首选结构，然而转子的高速旋转和定子的高频供电，对高速永磁电机的电磁与机械设计提出了新的要求。该文在分析高速永磁电机设计特点的基础上，对一台60 000 r/min、75 kW的高速永磁同步发电机进行了电磁与结构设计，基于场路耦合有限元法分析了高速永磁同步发电机的空载和负载特性，计算了负载运行时电机的电磁与机械损耗，并进行了电机的温升场分析。计算的结果表明，高速永磁发电机的设计合理，电机性能能够满足设计要求。

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