高速永磁同步電機(jī)設(shè)計(jì)及損耗溫度場分析

黃 聰，張 僑，楊 文

(武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，武漢 430070)

0 引 言

永磁同步電機(jī)調(diào)速方便，效率高，體積小，適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此永磁同步電機(jī)在高速領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。然而，高速永磁電機(jī)在運(yùn)行過程中和常規(guī)電機(jī)相比主要有以下特點(diǎn)[1]：高速電機(jī)的定子鐵損將遠(yuǎn)大于常規(guī)電機(jī)的定子鐵損，造成電機(jī)總損耗增加，效率降低；過高的損耗也使電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，影響永磁體的性能。由于這些不同于常規(guī)電機(jī)的特點(diǎn)，使得高速永磁電機(jī)在設(shè)計(jì)時需要選取性能更好的鐵心材料來減小損耗，以及能準(zhǔn)確地分析電機(jī)的溫度場分布，保證高速永磁電機(jī)運(yùn)行的可靠性。

1 基于非晶合金鐵心的磁路設(shè)計(jì)

對于電機(jī)的磁路而言，一般通過鐵磁材料與氣隙形成。在電機(jī)的內(nèi)部，所有繞組和永磁體將一起建立電機(jī)磁場。在電機(jī)磁路設(shè)計(jì)中，主要對電機(jī)不同部分的磁通密度B和磁場強(qiáng)度H進(jìn)行分析，并需要結(jié)合鐵心材料的B-H曲線進(jìn)行計(jì)算，從而確定電機(jī)槽型的尺寸。圖1為電機(jī)定子槽形圖，齒高為hd，槽距為τu，齒寬為bd。

圖1 定子槽形圖

本文設(shè)計(jì)的是一臺4極、6槽的永磁同步電機(jī)，定子的槽距由電機(jī)的氣隙周長除以定子槽數(shù)得到：

(1)

(2)

如果電機(jī)齒部未飽和，在槽距上幾乎所有的磁通均通過齒，在槽上和槽隙絕緣處無磁通流過。忽略槽口影響，考慮鐵心的空間系數(shù)kFe，對于管徑均勻的齒，可獲得其橫截面積Sd：

Sd=kFe(l-nυbυ)bd

(3)

式中：nυ，bυ分別為通風(fēng)道數(shù)及管道寬度；l為整個電機(jī)疊片的長度。

假定所有磁通在電機(jī)的齒部流過，可以得到視在磁通密度：

(4)

(5)

該結(jié)果除以齒部鐵心的面積Sd，可以得到齒部鐵心實(shí)際的磁通密度：

(6)

(7)

進(jìn)而，齒部的實(shí)際磁通密度:

(8)

因?yàn)楸疚脑O(shè)計(jì)的高速永磁同步電機(jī)的定子鐵心為非晶合金，則需要研究非晶合金的B，H曲線，如圖2所示，根據(jù)B，H曲線并結(jié)合式(8)得到兩條曲線的交點(diǎn)，其交點(diǎn)的橫坐標(biāo)為齒部的磁場強(qiáng)度Hd。

圖2 利用鐵心材料B，H曲線及齒部尺寸確定齒部磁通密度

在定子齒部磁通密度不超過非晶合金飽和磁通密度的前提下，通過計(jì)算得到定子齒高h(yuǎn)d為8.5mm，槽距為τu為12.3 mm，齒寬為bd為3.25 mm，以及鐵心長度l為39 mm。

2 電機(jī)性能分析

2.1 電機(jī)磁-熱耦合分析過程

本文采用的是雙向耦合的方式求解電機(jī)的損耗和溫升，圖3為具體的流程。首先建立電機(jī)模型，由電磁場求解的電機(jī)損耗作為溫度場分析的熱源，根據(jù)溫度計(jì)算的結(jié)果對相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，再返回給電磁場進(jìn)行分析，不斷循環(huán)以得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖3 電機(jī)磁-熱耦合分析流程圖

2.2 電機(jī)建模

本文使用ANSYS仿真軟件對高速永磁同步電機(jī)進(jìn)行建模，電機(jī)各項(xiàng)參數(shù)如表1所示，根據(jù)表1得到電機(jī)有限元模型[2]，如圖4所示。

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表1 高速永磁同步電機(jī)基本參數(shù)

圖4 高速永磁同步電機(jī)模型

然后求解該電機(jī)的磁通密度云圖，如圖5所示。電機(jī)齒部磁通為1.2T左右，最高磁通密度為1.5T,電機(jī)軛部磁通為1.3 T左右。而該非晶合金的飽和磁通密度為1.56 T，說明通過磁路設(shè)計(jì)后，定子槽形的尺寸參數(shù)比較合理。

圖5 高速永磁同步電機(jī)磁通密度云圖

2.3 電機(jī)損耗分析

高速永磁同步電機(jī)在高頻運(yùn)行時，傳統(tǒng)硅鋼片電機(jī)的定子鐵損將顯著增加[3]，因此減小損耗并提高效率對高速電機(jī)的設(shè)計(jì)非常重要。本電機(jī)定子鐵心材料選取的是鐵基納米晶合金(國標(biāo)1K101)，具有優(yōu)越的物理電磁性能[4-5]。表2為非晶合金1K101與0.2 mm高硅鋼20JNEH1200的性能對比。

表2 材料1K101與20JNEH1200性能指標(biāo)

圖6為1K101與20JNEH1200的磁滯回線。它表示鐵磁材料在外加交變磁場時所產(chǎn)生的磁滯現(xiàn)象，從而造成的損耗[6]。由于1K101的磁滯回歸線的面積相對較小，所以非晶材料電機(jī)有更小的磁滯損耗。此外，非晶合金更薄的厚度以及更大的電阻率也能減少電機(jī)的渦流損耗[7]。

圖6 兩種定子鐵心材料的B,H曲線

本文在電機(jī)相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)下，僅改變定子鐵心的材料，利用ANSYS軟件對兩種電機(jī)進(jìn)行鐵心損耗和渦流損耗計(jì)算。

兩種電機(jī)鐵損和渦流損耗曲線分別如圖7，圖8所示，均為電機(jī)在額定負(fù)載時求解得到的損耗。由圖7非晶電機(jī)鐵損平均值為21.57 W，高硅鋼電機(jī)鐵損平均值為102.66 W。由此可見，定子采用非晶合金以后鐵損減少了約78%；圖8為兩種電機(jī)的渦流損耗曲線，由于本電機(jī)采用了0.025 mm非晶材料，其渦流損耗的平均值只有19.71 W，而硅鋼電機(jī)采用的是0.2 mm的高硅鋼，其渦流損耗為51.49 W。

(a) 非晶電機(jī)

(a) 非晶電機(jī)

2.4 電機(jī)溫度場分析

由于高速永磁同步電機(jī)通電頻率較高，使得電機(jī)的功率密度提高，電機(jī)的損耗密度也在提高，造成電機(jī)散熱困難。如果溫升較高，還會使永磁體發(fā)生不可逆退磁[8]。此外定子鐵心不同材料對應(yīng)的鐵損和渦流損耗不相同，從而導(dǎo)致發(fā)熱和溫升不一致，鐵心材料的不同位置和不同厚度也對電機(jī)的散熱有很大的影響。因此，準(zhǔn)確的溫升計(jì)算對高速永磁同步電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行非常重要。

本文采用ANSYS workbench的Transient Thermal模塊進(jìn)行溫度場的分析，該模塊能與Maxwell 2D模塊相互耦合，能提取Maxwell 2D中電機(jī)模型的各種損耗作為熱載荷，進(jìn)行求解[9]，并且這兩個模塊之間的數(shù)據(jù)是可以相互交換與更新，這樣能得到更準(zhǔn)確的結(jié)果。磁-熱分析的耦合框架如圖9所示。

圖9 Maxwell 2D與Transient Thermal耦合框架圖

通過ANSYS軟件對兩種不同定子鐵心材料的電機(jī)進(jìn)行溫度場分析，得到穩(wěn)定后電機(jī)的定子溫度分布情況，如圖10所示。

(a) 非晶電機(jī)

由于非晶合金電機(jī)的鐵損和渦流損耗都遠(yuǎn)小于0.2 mm高硅鋼電機(jī)，因此非晶合金電機(jī)的定子整體溫度也相對較低。非晶合金定子的最高溫度為86℃，平均溫度為77 ℃；0.2 mm高硅鋼定子的最高溫度為136 ℃，平均溫度為129 ℃。采用非晶合金作為定子鐵心的永磁同步電機(jī)，定子部分溫度有明顯的下降。

3 結(jié) 語

本文采用非晶合金材料設(shè)計(jì)了一臺高速永磁同步電機(jī)，并與0.2 mm高硅鋼材料的電機(jī)對比研究，采用有限元軟件分析了電機(jī)的損耗和溫度場分布，得出了以下結(jié)論：

1) 非晶合金永磁同步電機(jī)在高速運(yùn)行時，能大幅降低鐵心損耗和渦流損耗，從而提高電機(jī)效率。

2) 通過對電機(jī)的磁-熱耦合分析，得出非晶合金電機(jī)發(fā)熱遠(yuǎn)小于0.2 mm高硅鋼電機(jī)，能使高速電機(jī)運(yùn)行在合理的溫度范圍內(nèi)，保持高速電機(jī)的可靠性。