高速永磁电机结构设计及损耗分析_唐龙庆.pdf

（）年第期第卷（总第期）高速永磁电机结构设计及损耗分析唐龙庆（大庆炼化公司，黑龙江大庆）摘要从定子结构、定子材料、转子设计、永磁体材料选择对永磁电机设计进行分析，对、极高速永磁电机进行了 系统计算，通过计算和软件模拟电机损耗，分析变化规律，确定了设计参数。关键词高速永磁电机；定子结构；永磁体材料；损耗：中图分类 号：文献标识码：文章编号：（）（，），；引言高速永磁电机广泛应用于微电机、高速磨床、压缩机、发电机等多领域，电机具有体积小、功率密度大、转速快等特点，但同时电机也因散热面积有限，温升会较高；转速过快，电机转子强度和刚度和轴承选择因不满足长期运行要求而限制了高速永磁电机的进一步应用。高速永磁电机虽然高速度，但其原理仍符合基本的 电磁原理，需要解决就是高转速带来的一些难题，转速快，转子的离心力变较大，同时转动时风磨损较大，电机定子空间有限、散热面积有限、温升便会较普通电机高。因此需要从材料、结构、性能多个方面进行创新，将电机温度降低、转子强度提高、风损耗降低，达到使用要求。定子设计结构分析通过查阅国内外资料，永磁电机极数一般选择为极，因为若为级，绕组需要跨过半周，导致定子长度太长，端部需要大量空间，转子变会增长，最终转子刚度会降低，难以保证实现转子强度。当电机转速要求不高 时，可以选择极甚至极极对数。图槽模型铁心分有槽、无槽直接关系到定子损耗，无槽结构转子涡流损耗低，电机结构气隙较大，使得气隙磁密较小，多槽结构会引起转子涡流损耗，为抑 年第期第卷（总第期）（）谐波次数图槽 各 次谐波材料选取在进行材料选择时，往往与结构有关，新型的谐波次数图槽各次谐波制不利影响，常选用较大的气隙长度，选取槽和槽结构进行对比分析。将图纸导入进行仿真分析，电机模型如图、图所示。获得气隙磁密如图、图所不。距离（）图槽气隙磁密图槽气隙磁密图、图可以看出，因定子有槽，波形不是平滑顶部，呈锯多波纹锯齿状，且槽数越多，波浪越密集，顶部越趋于平整。将电机气隙磁密进行傅里叶整理，可得到各次谐波，谐波幅值如图、图所示，从图可以得出，槽明显比槽谐波幅值低，槽越多，对谐波气隙磁密降低越有效。定子材料有复合材料、非晶态合金材料、超薄无取向娃钢片、合 金片等，一般武钢或宝钢的厚无取向硅钢片，当然也可以使用有取向娃钢片，但叠片时错开角度。软磁材料适合高频段要求、无槽结构，在低频时与普通硅钢片无差别。因此考虑到叠片方式简单和有槽铁心结构，选择超薄无取向娃钢片。绕组设计高速电机一般相电流基频高，有一定的高次谐波，交变电流会产生肌肤效应，造成附加损耗，同时，也会引起电机振动和噪音。绕组的铜耗是定子损耗主要部分，为降低损耗可以采用多根导线并联结 构，导线选取小截面导线，因为线径过大，因为肌肤效应会降低电流流通的有效面积，导致等效电阻变大，电机铜耗增大，因此从导线连接方式和导线的线径角度，定子绕组选择多根细导线并联结构为最佳，选择双层分布绕组。转子设计转子必须保证在高速转动过程中不会因离心力损坏、分离，也不会因长期运行产生弯曲变形，同时，运行时电机会产生热量，转子不会因温度较高，产生退磁现象，也 不会因吸收热量，转子材料膨胀变形。结构设计永磁电机转子常见结构有表贴式和内置式两种，内置式压圈、冲片 皆含有方槽，用于安装永磁体，旋转时，计算转子铁心桥的受力情况，保障转子运行强度。而表贴式转子由护套、填充材料、永磁体铁心构成，护套与永磁体是过盈配合，相当于在永磁体表面施加一个预压力，当转子高速旋转时，永磁体会受到较大离心力，预压力会抵消一部分禽心力，从而提高转子强度。护套分为金属类和碳纤维类两种，金属类护套优点是强度高、导热性能好，散热快，缺点是金属会产生涡流损耗，产生额外损耗。碳纤维 类护套无涡流损耗、但导热系数小，散热较差，且安装较为复杂，因此选用表贴式结构，金属类护套，操作方便，更易实现。转子受到最大离心力如下）（）结合强度技术公式可得最大线速度）？）（）年第期第卷（总第期）式中横截面积；角速度；密度；转子外径；一质量；一线速度；材料许用应力；安全系数。转子最大直径（）图内置式材料选取永磁体有金属护套保护，因此，材料机械性能方面需要有较高抗压强度，欠磁体材料较多，其中钕铁硼（）和钐钴（）具有较高的抗挠强度和抗压强度且易于加工，转子高速旋转时，电机体积有限，散热较慢，转子会出现温升高，而温度升高会使永磁体退磁，因此，需要永磁体材料有高的工作温度范围，钕铁硼的最高工作温度范围在丈到，钐钴的最高工作温度在 到，对于航空发电机一般选择钐钴，本文选用钕铁硼即可。电机性能仿真分析本文以、的高速永磁电机进行模拟，电压，功率因素，效率，额定转矩，转速，经计算得到定子外径、定子内径、转子外径、永磁体厚度、转子轴向长度、极数、槽数等主要参数，对空载和负载特性特性进行模拟。空载特性通过软件，对磁力线分布进行模拟，图可以看到磁力线分布均匀，切小于磁密饱和值，铁心设计合理，符合要求，图为齿槽转矩模拟结果，最大值为，也完全小于要求值。图磁力线分布图图齿槽转矩负载转矩模拟 如图所示，负 载转矩在到 之间变动，符合额定转矩要求值，三相电流波形如图所示，电流幅值在 左右，负载三相电流对称，负载特性满足要求时间（）图转矩图图三相电流图损耗计算电机发热就是电机损耗表现，而高速电机高 年第期第卷（总第期）（）舒表面（）图绕组铜耗结语本文针对高速永磁电机设计，从定子结构、冲片材料选择、转子结构、永磁铁材料选择四个方面进行了综合分析，并对、（下转 页）图】风磨损耗图铁耗转子风磨损耗如图所示，从图中可以得出损耗与转子表面粗糙度有直接关系，粗糙度值大时，风磨损耗值变大，粗糙度在以下时，风磨损耗在以下可以忽略。绕组铜耗包括直流损耗和附加涡流损耗两部分，分别可以通过公式进行计算，最后得出铜耗为。与 有限元软件模拟结果几乎相同，如图所示。频率的磁场变化，最终导致定子铁耗占比量增加，铁耗计算模型较多，应用较多是 模型，分为磁滞 损耗、涡流损耗以及 异常损耗，见式（），其中为对应损耗系数，？为磁密幅值和频率。电机损耗大，温升就会升高，进而影响电机使用寿命。（）（）？（）电机运行过程中，定子导体中电流集中于导体表面，产生集肤效应，同时，导体内高频变化电流会产生高频变化磁场，会对相互临近的导体产生临近作用，使临近的导体内的电流密度分布不均，集肤效应和临近效应最后导致有效电流截面积降低，电阻变大，温度升高，这部分是铜耗。高速电机的风磨损耗是指转子表面与气隙摩擦产生损耗，主要有径向和轴端面两部分损耗。对定子铁心选点分析磁化特性，如图所示，经仿真模拟得到各点径向和切向磁密波形规律，如图所示。时间（）图点切向磁密时间（）图点切向磁密冲片上相同位置的点的切向磁密波形相同，同理，径向磁密波形也相同，如图所示，因此，可以得出磁化特性可以在一个齿分析不同位置点特性代表所以其余点特性，计算出一个齿的损耗，然后再将所有槽求和，得出总铁损耗。总铁损耗为，软件模拟结果如图所示，解析计算结果和模拟结果相近，误差较小。（）餡麥（）铂撞侄靼 年第期第 卷（总第期）（）轴向尺寸工艺加工控制转子加工工艺方面转子铁心加工工艺仍采用金加工工艺，只是通过采用一种专门的设计检具转子测量架，以转子支承圈定位台阶为轴向定位基准，可直接测量转子铁心锥面的锥度及中径尺寸的相对位置，给车削加工转子锥面及大小端尺寸控制提供了快捷的检测手段，操作简单且直观反映检测结果，提高了加工过程检验的效率与转子铁心尺寸精度。转子测量架转子图锥形转子电机转子测量架定子加工工艺方面定子铁心压人机座，采用专用装压工装（上压壳模），同时使用下模定位消除液压机压装定子铁心过程造成压壳深度的波动，并定期检查装压工装有效压入深度，如有磨损应及时修改端环厚度或更换新装压工装，以确保压装位置尺寸。定子铁心采用不加工工艺，采用数控冲压设备加工锥形定子冲片，定子铁心采用滚扣叠压装置，保证定子铁心的锥度和垂直度，有效控制了铁心高度的叠压偏差。定子装配锥孔尺寸测量检具：基于圆柱滚子轴承端面到转子端面的高度为固定值，设计带有百分仪表的假转子，由百分仪表直接反映轴向尺寸大于或小于固定高度值，主要解决电机装配定转子铁心端面不对齐或调整气隙，需要进行反（上接页）、极高速永磁电机进行了 系统计算，给出解析计算和软件模拟比对结果，验证模拟结果的准确性，同时对降低高速电机损耗给出了设计数据，为进一步研究高速电机将低温升奠定基础。参考文献崔健高速永磁电机转子结构强度及动力学研复调整校验。通过设计这种固定轴向尺寸链的检具，可快速、准确测量轴向尺寸偏差。图定子装配锥 孔尺寸 测量检具结语目前，通过改变定转子加工 工艺并提高检测手段，轴向尺寸的控制问题得到了有效解决，装配时动态轴向尺寸波动能够控制在腦以内，锥形转子电机定转子选配逐步实现互换装配。目前，一些锥形转子电机生产企业已采用自动装配线生产装配，已取得了令人较为满意的效果。参 考文献 程小华异步电机笼型转子绕组相数分析防爆电机，王澜，郎冬感应电机转子故障对电气性能及噪声影响分析防爆电机，韩峰旋转电机转子振动影响分析防爆电机，苏文胜，百坚毅，顾旭波，等锥形转子电机轴向磁拉力测试的研究电机与控制应用，黄文斌，朴春吉锥形转子电机故障分析与维修防爆电机，作 者简介：郭翠女年生；毕业 于哈尔滨理工大学 高分子化 学与物理专业，主要从事 锥形转子电动机生产制造工艺工作收 稿日期：究哈尔滨理工大学董剑宁高速永磁电机综合设计方法的研究东南大学，作 者简 介：唐龙庆男 年 生；毕业 于东北石油大学电 力 电子与电 力传动 专业，现从事高、低压电气设备的运行 维护工作收 稿日期：