用于空壓機(jī)的高速電機(jī)的設(shè)計(jì)和分析

高義冬，馬哲樹

（江蘇科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

用于空壓機(jī)的高速電機(jī)的設(shè)計(jì)和分析

高義冬，馬哲樹

（江蘇科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

本文對(duì)一款130 kW，轉(zhuǎn)速為31 500 rpm用于空氣壓縮機(jī)的高速永磁電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。針對(duì)高速電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇電機(jī)材料并采用磁路法計(jì)算出電機(jī)的各尺寸參數(shù)。利用有限元軟件對(duì)所設(shè)計(jì)電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，同時(shí)分析電機(jī)的定轉(zhuǎn)子損耗。然后通過(guò)分析電機(jī)護(hù)套材料和永磁體充磁方式，來(lái)達(dá)到減小電機(jī)內(nèi)部損耗，降低溫度，提高電機(jī)性能的目的。

高速電機(jī)；有限元；電磁場(chǎng)分析；損耗分析

空氣壓縮機(jī)作為“十二五”規(guī)劃期間重點(diǎn)關(guān)注的一類設(shè)備，其主要發(fā)展方向就是節(jié)能，一級(jí)能效工業(yè)用空氣壓縮機(jī)和二級(jí)能效工業(yè)用空氣壓縮機(jī)成為重點(diǎn)照顧的機(jī)型。通常作為空氣壓縮機(jī)的電機(jī)有感應(yīng)電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)，高速永磁電機(jī)等。由于高速永磁電機(jī)比高速感應(yīng)電機(jī)具有更高利用率，更好的功率因數(shù)和更高的效率，被認(rèn)為非常值得研究。而且設(shè)計(jì)一個(gè)高速永磁無(wú)刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子比高速感應(yīng)機(jī)更復(fù)雜。而高速電機(jī)由于具有轉(zhuǎn)速高、電機(jī)尺寸小、功率密度大、效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，在高速壓縮機(jī)、儲(chǔ)能飛輪、紡織、高速磨床、燃?xì)鉁u輪機(jī)等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[1]闡述了一臺(tái)功率為8 MW，轉(zhuǎn)速為15 000 rpm，用于壓縮機(jī)的高速永磁電機(jī)在石化行業(yè)的應(yīng)用。該電機(jī)定子采用低損耗硅鋼片，轉(zhuǎn)子軸承采用主動(dòng)磁力軸承和滾動(dòng)軸承，并采用轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)原理分別對(duì)兩種不同類型的軸承進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[2]對(duì)一臺(tái)用于離心式壓縮機(jī)的高速高效感應(yīng)電機(jī)進(jìn)行了電磁和機(jī)械設(shè)計(jì)，并對(duì)3種不同類型的電機(jī)（開關(guān)磁阻電機(jī)，永磁同步電機(jī)，感應(yīng)電機(jī)）的電磁特性，損耗，機(jī)械特性進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[3]介紹了一個(gè)高速，高功率密度直流無(wú)刷電機(jī)，功率為50 kW，70萬(wàn)rpm級(jí)離心壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)和分析。用理論分析方法對(duì)高速電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和功率損耗進(jìn)行分析，并用有限元法對(duì)結(jié)果結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

針對(duì)應(yīng)用在空氣壓縮機(jī)上的高速永磁電機(jī)有最大功率的限制，在轉(zhuǎn)速為30 000 rpm時(shí)，電機(jī)的最大功率為130 kW，所以本文對(duì)一款130 kW，轉(zhuǎn)速為31 500 rpm用于空氣壓縮機(jī)的高速永磁電機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，針對(duì)高速電機(jī)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇電機(jī)材料并計(jì)算出電機(jī)的各種參數(shù)。利用有限元軟件對(duì)所設(shè)計(jì)電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，同時(shí)分析電機(jī)的定轉(zhuǎn)子損耗，然后通過(guò)分析電機(jī)護(hù)套材料和永磁體充磁方式，來(lái)達(dá)到減小電機(jī)內(nèi)部損耗，降低溫度，提高電機(jī)性能的目的。

1 高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)子采用的是永磁體面裝式結(jié)構(gòu)也叫表貼式，這種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)具有良好的對(duì)稱性，但由于高速電機(jī)轉(zhuǎn)速較高且永磁材料能承受的拉應(yīng)力較小，所以為了防止永磁體因受到巨大的離心力而遭到破壞，需要在永磁體外表面加一層保護(hù)套。永磁材料的種類很多，并且材料之間的性能差別較大，因此選擇合適的永磁體材料在永磁電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)至關(guān)重要。常見的用于電機(jī)的永磁材料包括鐵氧體永磁材料、鋁鎳鈷永磁材料、稀土鈷和釹鐵硼永磁材料。高速電機(jī)由于磁場(chǎng)頻率高，要求永磁材料具有高的剩磁和矯頑力，從性能和成本的角度考慮釹鐵硼永磁材料是較好的選擇。它不含鈷這種戰(zhàn)略物資，要比稀土鈷的價(jià)格便宜得多。

1.2 極數(shù)選擇

高速電機(jī)的極數(shù)較少，一般采用2極或4極。2極電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是:便于永磁體采用整體結(jié)構(gòu)和整體充磁，可保證永磁轉(zhuǎn)子機(jī)械和電磁性能的對(duì)稱性。2極電機(jī)的另一優(yōu)點(diǎn)是定子鐵心磁場(chǎng)和繞組電流的頻率僅為4極電機(jī)的一半，有利于減少電機(jī)定子的鐵耗和銅耗[4]。所以本文電機(jī)極數(shù)采用2極。

1.3 定子設(shè)計(jì)

定子鐵心結(jié)構(gòu)分為兩種，有槽結(jié)構(gòu)和無(wú)槽結(jié)構(gòu)。有槽結(jié)構(gòu)能減少兩極之間的漏磁，而且可以增加繞組和定子鐵心表面的接觸面積，提供一個(gè)較低的熱阻路徑，這對(duì)繞組和轉(zhuǎn)子的散熱很重要。本文采用梨型槽結(jié)構(gòu)，分布式繞組，雙層結(jié)構(gòu)，節(jié)距為15，定子材料采用DW315_50硅鋼片[5]。

1.4 高速電機(jī)方案的確定

以130 kW高速永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，通過(guò)采用磁路法計(jì)算額定數(shù)據(jù)和主要性能指標(biāo)（如表1所示），所得電機(jī)各尺寸參數(shù)如表2所示。

表1 額定數(shù)據(jù)和主要性能指標(biāo)Tab.1 Nominal data and the main performance indicators

表2 尺寸參數(shù)Tab.2 Size parameters

2 高速永磁同步電機(jī)電磁場(chǎng)的分析

用于空氣壓縮機(jī)的高速永磁同步電機(jī)三維模型如圖1所示。由電機(jī)的永磁體產(chǎn)生的磁力線分布圖如圖2所示，由永磁體產(chǎn)生的磁力線矢量圖如圖3所示。

圖1 高速電機(jī)三維模型Fig.1 The 3D model of the high-speed machines

圖2 電機(jī)磁力線分布Fig.2 The lines of magnetic force distribution

由圖2所示可知，永磁同步電機(jī)磁力線是由永磁體產(chǎn)生的，磁力線的流向路徑為定子齒、定子軛、定子齒、氣隙、定子軛，定子齒，且定子軛中的磁密明顯大于線圈中的磁密。由上圖結(jié)果可知，永磁電機(jī)的磁通的分布和走向合理，漏磁通比較少，漏磁系數(shù)也較小，永磁體利用率高，符合電機(jī)設(shè)計(jì)要求。

圖3 電機(jī)磁力線矢量分布Fig.3 The lines of magnetic force vector distribution

圖3中的箭頭為磁力線的流動(dòng)的方向，由上圖可知電機(jī)中的磁力線是由永磁體產(chǎn)生，流經(jīng)定子齒、定子軛和氣隙，并最終回到定子齒，構(gòu)成了一個(gè)封閉的回路，和實(shí)際理論相符。

3 高速永磁電機(jī)損耗分析

3.1 定子損耗

定子的損耗主要有鐵耗和定子繞組中的銅耗兩種。一般在電機(jī)中，銅耗占的比重較大，但是由于高速電機(jī)鐵芯的磁場(chǎng)變化頻率較高，所以鐵耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅耗。因此精確計(jì)算高速永磁電機(jī)的鐵耗是本電機(jī)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

在鐵耗計(jì)算中，按照鐵耗產(chǎn)生的機(jī)理不同，將鐵耗分為磁滯損耗，渦流損耗和附加損耗，建立分離鐵耗模型，進(jìn)行電機(jī)鐵耗計(jì)算。有限元軟件ANSOFT計(jì)算電機(jī)瞬態(tài)場(chǎng)的鐵耗，其原理就是根據(jù)分離鐵耗模型，其中磁滯損耗計(jì)算指數(shù)α，β一律被認(rèn)為等于2。軟件內(nèi)部鐵耗計(jì)算依據(jù)公式如下：

式中kh是磁滯損耗系數(shù)，ke是渦流損耗系數(shù)，kexc是附加損耗系數(shù)，h是磁滯損耗計(jì)算系數(shù)[6]。

電機(jī)的鐵耗與電機(jī)的頻率有著密切的關(guān)系，當(dāng)電機(jī)的頻率增加時(shí)，電機(jī)的鐵耗與電機(jī)的平方成正比，圖4描述的是在電機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中電機(jī)鐵耗隨轉(zhuǎn)速變化的曲線。

圖4 鐵耗隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.4 The curve of iron loss varies with the speed

從圖中可以看出，從低速到31 500 r/min的高速，鐵耗增長(zhǎng)的很快。那是因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?開始時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)速也要從0開始，這就使得轉(zhuǎn)子永磁體在定子上形成的磁場(chǎng)的交變頻率也是從低到高變化的，所以會(huì)形成圖中所示曲線。

表面式高速永磁電機(jī)的定子鐵芯損耗不僅與交變頻率和幅值有關(guān)，而且與磁場(chǎng)波形密切相關(guān)。本文利用有限元的方法，分析電機(jī)氣隙磁場(chǎng)波形和旋轉(zhuǎn)速度（磁場(chǎng)交變頻率）對(duì)定子鐵耗的影響。在于永磁電機(jī)中，主要的充磁方式有平行充磁，徑向充磁，halbach充磁等，而平行充磁和徑向充磁在永磁體充磁中是最常用。但這兩種充磁方式得到的空載氣隙磁場(chǎng)波形是不同的，利用有限元軟件建立兩極高速永磁電機(jī)模型，可以分別得到兩種充磁方式的氣隙磁場(chǎng)分布波形如圖5和圖6。由圖5和圖6看以看出，電機(jī)平行充磁時(shí)磁密波形接近正弦波，而徑向充磁時(shí)磁密波形呈梯形分布。

圖5 平行充磁氣隙磁密波形Fig.5 The air gap flux density waveform of parallel magnetization

圖6 徑向充磁氣隙磁密波形Fig.6 The air gap flux density waveform of radial magnetization

分別對(duì)平行充磁和徑向充磁的磁場(chǎng)波形做傅立葉分解，得到平行充磁和徑向充磁時(shí)的基波分量和諧波分量，如圖7~10所示。

圖7 平行充磁氣隙磁密基波波形Fig.7 The air gap flux density wave of parallel magnetization

圖8 平行充磁氣隙磁密諧波分量Fig.8 The air gap flux density harmonic component of parallel magnetization

圖9 徑向充磁氣隙磁密基波波形Fig.9 The air gap flux density wave of radial magnetization

兩種充磁方式得到的氣隙磁密基波相差不大。平行充磁時(shí)3次諧波分量較小，相對(duì)于基波比例也小，徑向充磁的3次，5次諧波較為明顯，相對(duì)于基波占的比例也大，空載氣隙磁密也相對(duì)復(fù)雜。

對(duì)比兩種充磁方式，因?yàn)閺较虺浯艜r(shí)諧波分量較大，所以每極磁通和定子鐵芯磁密均大于平行充磁，因此徑向充磁時(shí)定子空載鐵耗較大。通過(guò)對(duì)比可知電機(jī)采用平行充磁較為有利。

圖10 徑向充磁氣隙磁密諧波分量Fig.10 The air gap flux density harmonic component of radial magnetization

在空載有限元分析時(shí)選取不同的轉(zhuǎn)速，就可以分析高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)定子鐵耗之間的關(guān)系。圖11反應(yīng)的是在平行充磁方式下，不同轉(zhuǎn)速對(duì)定子鐵芯損耗的影響。

圖11 定子鐵耗隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.11 The stator iron loss vary with speed

由圖11可知，普通低速永磁電機(jī)的鐵耗一般很小，對(duì)電機(jī)性能影響不大。但是隨著轉(zhuǎn)速的提高，定子鐵芯損耗增長(zhǎng)的很快，鐵耗也就成為定子損耗中主要考慮的問(wèn)題。

3.2 轉(zhuǎn)子損耗

高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子由4個(gè)部分組成，分別為電機(jī)軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體和不導(dǎo)磁套筒，而轉(zhuǎn)子中的損耗主要有機(jī)械損耗和渦流損耗兩種。其中機(jī)械損耗是指空氣摩擦損耗。一般電機(jī)轉(zhuǎn)子的渦流損耗相對(duì)于定子損耗來(lái)說(shuō)是非常小的，但產(chǎn)生渦流損耗時(shí)，會(huì)使永磁體溫度升高產(chǎn)生退磁，特別嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生不可逆退磁。所以本節(jié)深入探討了降低轉(zhuǎn)子渦流損耗的方法。

保護(hù)環(huán)材料分別采用電導(dǎo)率為1 100 000（s/m）的不銹鋼材料和電導(dǎo)率為34 500（s/m）的碳纖維。這兩種材料都是不導(dǎo)磁的高強(qiáng)度材料，永磁體采用N38SH。其電導(dǎo)率為2 000 000（s/m）。采用瞬態(tài)有限元分析不同電導(dǎo)率材料對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。圖12為電機(jī)永磁體渦流損耗。表3對(duì)兩種不同護(hù)套結(jié)構(gòu)的渦流損耗進(jìn)行了對(duì)比分析。

圖12 電機(jī)永磁體渦流損耗Fig.12 The eddy current loss of permanent magnet

表3 不同護(hù)套的渦流損耗對(duì)比Tab.3 Comparison of different sheath eddy current loss

4 結(jié) 論

文中對(duì)130 kW，轉(zhuǎn)速為31 500 rpm用于空氣壓縮機(jī)的高速永磁同步電機(jī)的尺寸參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算，分析了5種不同槽數(shù)的電機(jī)方案。利用有限元軟件對(duì)所設(shè)計(jì)電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析。同時(shí)對(duì)這種電機(jī)方案進(jìn)行定轉(zhuǎn)子損耗分析，結(jié)果表明采用平行充磁方式和碳纖維作為護(hù)套材料可以減小電機(jī)內(nèi)部損耗，降低溫度，提高電機(jī)性能。

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Design and analysis of a high-speed machine for air compressor

GAO Yi-dong，MA Zhe-shu
（School of Electrical and Information， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China）

This paper describes the design and analysis of a high-speed permanent magnet machines for a 130 kW，31 500 rpm class air compressor.According to the design criterion of high-speed motor，chose the material of motor and calculate the size parameters of the machine with magnetic circuit method.Using finite element software，the electromagnetic field of this prototype are analyzed and stator and rotor loss are calculated at the same time.And then，by analyzing the sheath material and magnetization manners of the permanent magnet，to reduce the motor internal loss，reduce the temperature and improve the motor performance.

high-speed machine； finite element； electromagnetic field analysis； loss analysis

[TN98]

A

1674-6236（2014）15-0122-04

2013-09-26 稿件編號(hào)：201309202

高義冬（1988—），男，江蘇揚(yáng)州人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。