軸向磁通非晶合金電機(jī)永磁體渦流損耗研究

王凱東,楊文龍

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)國家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心，沈陽 110870；2.遼寧省電力有限公司撫順供電公司，撫順 113006)

0 引 言

非晶合金材料作為一種新型軟磁材料，具有十分優(yōu)異的低損耗特性，將其應(yīng)用于電機(jī)中替代傳統(tǒng)硅鋼片材料可有效降低電機(jī)的鐵心損耗[1]。目前國內(nèi)外最具代表性的非晶合金研發(fā)單位為日本日立公司[2-4]和美國萊特公司[5]。受非晶合金帶材寬度的限制，目前研究的非晶合金電機(jī)以軸向磁通結(jié)構(gòu)居多，定子鐵心采用非晶合金帶材卷繞方式，可不受帶材寬度的限制，制造出更高功率等級的非晶合金電機(jī)。由于非晶合金材料的高頻低損耗特性，非晶合金電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)高運(yùn)行頻率下的低鐵心損耗，因此非晶合金電機(jī)也更適用于高頻電機(jī)的設(shè)計(jì)。但是受到高頻磁場空間諧波和時間諧波的影響，高頻運(yùn)行下的永磁電機(jī)，其永磁體渦流損耗增加嚴(yán)重，導(dǎo)致永磁體溫升過高甚至發(fā)生局部不可逆退磁等嚴(yán)重后果，因此對于高頻非晶合金永磁電機(jī)永磁體渦流損耗的研究是十分必要的。為此，本文對軸向磁通非晶合金永磁電機(jī)的永磁體渦流損耗進(jìn)行計(jì)算，研究氣隙長度、槽口寬度、極槽配合對高頻非晶合金永磁電機(jī)永磁體渦流損耗的影響規(guī)律，為行業(yè)內(nèi)非晶合金永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)提供參考。

1 永磁體渦流損耗分析方法

根據(jù)三維渦流場有限元分析方法，永磁體內(nèi)的場域方程：

×ν(×A)=J-σ(

(1)

(2)

(3)

(4)

式中:ν為永磁體磁阻率；A，φ為矢量磁位與標(biāo)量磁位；J為永磁體渦流密度；σ為永磁體電導(dǎo)率；u，i為勵磁電壓和電流；e為感應(yīng)電動勢；R為線圈電阻；L為電機(jī)漏感；l為電機(jī)長度；s為截面積；Ω為截面。

根據(jù)麥克斯韋方程組，永磁體內(nèi)感生的渦流密度可表示：

Jc=-σ(

(5)

從而計(jì)算得出永磁體內(nèi)渦流損耗：

(6)

式中:v為永磁體體積；T為計(jì)算時間。

2 永磁體渦流損耗計(jì)算與影響規(guī)律

受變頻器供電高次諧波電流、定子繞組非正弦分布以及定子鐵心開槽的影響，定子繞組磁動勢和氣隙磁導(dǎo)非正弦分布，存在諧波，這些諧波的存在均會在永磁體內(nèi)感生渦流，從而引起永磁體渦流損耗。對于高頻永磁電機(jī)，由于高次載波諧波的存在，永磁體集膚效應(yīng)明顯，本文在計(jì)算軸向磁通非晶合金永磁電機(jī)永磁體渦流損耗時，利用式(7)充分考慮集膚效應(yīng)的影響。樣機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示，有限元分析模型如圖1所示，區(qū)別于傳統(tǒng)硅鋼片材料性能，圖2給出了非晶合金鐵心的磁化和損耗特性曲線。

(7)

式中:h為透入深度；f為諧波頻率；μ為磁導(dǎo)率，σ為電導(dǎo)率。

表1 非晶合金電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1非晶合金電機(jī)永磁體渦流損耗分析模型

(a) 磁化性能

(b) 損耗性能

本文分析氣隙長度、槽口寬度和極槽配合對軸向磁通非晶合金永磁電機(jī)永磁體渦流損耗的影響規(guī)律。

2.1 氣隙長度δ的影響

不同氣隙長度影響永磁體渦流損耗的作用機(jī)理是影響氣隙磁導(dǎo)諧波含量，本文在研究不同氣隙長度對永磁體渦流損耗影響時，通過改變永磁體用量來保證空載反電動勢不變。分別分析了氣隙長度為1mm，1.5mm，1.8mm，2mm，2.3mm時永磁體渦流損耗的變化規(guī)律，如圖3所示。

圖3永磁體渦流損耗隨氣隙長度變化規(guī)律

圖3分析了不同供電方式時，軸向磁通非晶合金永磁電機(jī)永磁體渦流損耗的變化規(guī)律，其中電流為0的空載情況下永磁體渦流損耗，額定電流為電機(jī)加載正弦波電流負(fù)載情況下的永磁體渦流損耗，PWM供電為電機(jī)加載變頻器供電電流負(fù)載情況下的永磁體渦流損耗，3種供電情況下的定子繞組電流波形如圖4所示。從圖3的分析結(jié)果可以看出，永磁體的渦流損耗隨著氣隙長度的增加逐漸降低。當(dāng)氣隙長度從1mm增加到2.3mm時，電流為0、正弦波供電、PWM供電時永磁體渦流損耗分別降低了59.8%、57.0%和61.0%。隨著氣隙長度的增加，永磁體渦流損耗減小幅度逐漸降低。因此在設(shè)計(jì)高頻非晶合金永磁電機(jī)氣隙長度時，不宜使永磁體渦流損耗過大，需在保證滿足裝配和軸向吸引力影響的情況下，氣隙長度可以選擇在永磁體渦流損耗降低平緩的區(qū)域。

(a) 電流為0

(b) 正弦波供電

(c) PWM供電

圖4不同供電方式時定子繞組電流波形

2.2 槽口寬度b的影響

槽口寬度的變化會引起氣隙磁導(dǎo)的改變，氣隙磁導(dǎo)的變化會導(dǎo)致永磁體渦流損耗發(fā)生變化。為此，本文研究了多種開口槽槽口寬度對樣機(jī)永磁體渦流損耗的影響規(guī)律，如圖5所示。為了不失一般性，在分析槽口寬度影響時，保持電機(jī)氣隙長度為2mm。

圖5不同槽口寬度時永磁體渦流損耗

從圖5可以看出，隨著電機(jī)定子槽口寬度的減小，永磁體渦流損耗逐漸降低。當(dāng)槽口寬度從7mm減小到3mm時，電流為0、正弦波供電、PWM供電時的永磁體渦流損耗分別降低了90.3%、88.5%和84.4%。雖然減少槽口寬度有助于降低電機(jī)的永磁體渦流損耗，但是槽口寬度同樣不宜設(shè)置過窄。這是由于在保證電機(jī)熱負(fù)荷一定的情況下，雖然槽口寬度不同，但是電機(jī)定子槽絕緣面積基本不變，在電機(jī)每槽導(dǎo)體數(shù)和定子槽高相同的情況下，開口槽槽口寬度越小，槽寬度越小，繞組線徑越小，從而增加了下線的難度和銅耗。表2分析了多種開口槽槽口寬度時，電機(jī)定子鐵心齒、軛部磁密、銅耗、鐵耗的變化規(guī)律。

表2 槽寬對相關(guān)參數(shù)的影響

從表2可以看出，開口槽電機(jī)槽口寬度的變化會引起定子鐵心磁密的分配，從而導(dǎo)致電機(jī)鐵耗和銅耗的比例發(fā)生改變。圖6進(jìn)而分析了電機(jī)銅耗、鐵耗、永磁體渦流損耗三者總和隨槽口寬度的變化規(guī)律。從圖6中可以看出，三者損耗之和隨著槽口寬度的增加先降低后增加，槽口寬度為4.3mm時存在最小的損耗和。

圖6不同槽口寬度時銅耗、鐵耗、永磁體渦流損耗之和

2.3 極槽配合的影響

為了充分利用非晶合金材料高頻低損耗的優(yōu)異特性，同時也為了提高電機(jī)功率密度，在設(shè)計(jì)軸向磁通非晶合金永磁電機(jī)時通常采用近極槽配合結(jié)構(gòu)，電機(jī)頻率設(shè)計(jì)值較高。為了更直觀地了解不同極槽配合對軸向磁通非晶合金電機(jī)永磁體渦流損耗的影響規(guī)律，本文分析了24極36槽、24極27槽、20極27槽、20極30槽等4種極槽配合情況下電機(jī)的永磁體渦流損耗，分析結(jié)果如圖7所示。為了保證一致性，在分析時4種極槽配合電機(jī)均采用開口槽結(jié)構(gòu)，且電機(jī)內(nèi)外徑尺寸、轉(zhuǎn)速、定子磁密等參數(shù)一致。

圖7不同極槽配合時永磁體渦流損耗

由不同極槽配合永磁體渦流損耗的分析結(jié)果可以看出，20極27槽和20極30槽電機(jī)的永磁體渦流損耗低于24極27槽和24極36槽。分析原因是由于當(dāng)采用20極時，電機(jī)的額定運(yùn)行頻率低于采用24極的情況，因此在選擇電機(jī)極槽配合時，需根據(jù)電機(jī)運(yùn)行品質(zhì)需求合理選擇極槽配合。

3 結(jié) 語

本文通過對比不同氣隙長度、不同開口槽槽寬、不同極槽配合時對永磁體渦流損耗進(jìn)行比較分析，得出如下結(jié)論：

(1) 隨著電機(jī)氣隙長度的增加，永磁體的渦流損耗逐漸降低，但隨著氣隙長度的增加，永磁體渦流損耗的降低幅度時逐漸減小，在保證電機(jī)裝配和軸向磁拉力條件下，氣隙長度選擇可以在永磁體渦流損耗降低平緩的區(qū)域。

(2) 以開口槽槽寬為變量計(jì)算永磁體渦流損耗時，永磁體渦流損耗隨著電機(jī)的定子槽寬的減小逐漸降低。在軸向磁通非晶合金電機(jī)設(shè)計(jì)中，由于非晶合金的特殊性，定子采用開口槽結(jié)構(gòu)，在選擇開口槽槽寬時，可以將銅耗、鐵耗和永磁體渦流損耗之和作為選擇槽寬一個標(biāo)準(zhǔn)。

(3) 在計(jì)算不同極槽配合對永磁體渦流損耗時，由于采用開口槽結(jié)構(gòu)，在頻率相同時，可以選擇永磁體渦流損耗較小的極槽配合。