電動(dòng)飛機(jī)永磁同步電機(jī)的渦流損耗分布規(guī)律及相應(yīng)的影響研究

劉巖松 滕飛

摘 要：為獲得電動(dòng)飛機(jī)永磁同步電機(jī)的渦流損耗分布規(guī)律和影響情況，提出電動(dòng)飛機(jī)永磁同步電機(jī)的渦流損耗分布規(guī)律及相應(yīng)的影響研究。采用有限元軟件對渦流損耗進(jìn)行分析，得出徑向每層永磁體渦流損耗的數(shù)值大小，繪制周向分布規(guī)律圖;根據(jù)其分布規(guī)律，從溫度、磁場等方面變化分析渦流損耗分布的影響，完成提出的研究。得到準(zhǔn)確的渦流損耗分布規(guī)律以及相應(yīng)的影響。

關(guān)鍵詞：永磁體;同步電機(jī);渦流損耗;電動(dòng)飛機(jī)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.184

0 引言

電動(dòng)飛機(jī)永磁同步電機(jī)是利用外部旋轉(zhuǎn)磁場吸引內(nèi)部恒定磁場進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，同步電機(jī)具有運(yùn)轉(zhuǎn)效率高、功率密度大、能控性強(qiáng)等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于高性能驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。電動(dòng)飛機(jī)永磁同步電機(jī)分為三種，分別為雙凸極永磁電機(jī)（Doubly-Salient Permanent Magnet Motor）、磁通反向電機(jī)（Flux Reversal Machine）、通切換型永磁電機(jī)（Flux-Switching Permanent Magnet Machine）[1]。每種結(jié)構(gòu)的原理因?yàn)橛来朋w的位置不同，具體原理會(huì)有所差別，但原理共性是相同的。節(jié)能減排是全球各行業(yè)的共同目標(biāo)，對于我們而言，更加高效的永磁同步電機(jī)就是不斷追求的目標(biāo)，提高效率就是減小損耗，所以渦流損耗分布規(guī)律及影響成為了亟待研究的問題，為獲得其渦流損耗分布規(guī)律，以及相應(yīng)的影響，提出電動(dòng)飛機(jī)永磁同步電機(jī)的渦流損耗分布規(guī)律及相應(yīng)的影響研究。

1 同步電機(jī)的渦流損耗分布規(guī)律

電動(dòng)飛機(jī)永磁同步電機(jī)的損耗主要體現(xiàn)在機(jī)械損耗、電氣損耗兩個(gè)方面[2]。機(jī)械損耗包括是軸承損耗、有刷電機(jī)換向器損耗、轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡損耗等。電氣損耗包括銅線損耗和定子損耗。電流引起鐵芯內(nèi)部溫升增加，產(chǎn)生“銅耗”形成銅線損耗[3]。定子損耗是由于渦流的產(chǎn)生，引起渦流損耗的同時(shí)，產(chǎn)生定子衰減，即為定子損耗。

為研究同步電機(jī)的渦流損耗分布規(guī)律，基于ANSYS Maxwell軟件進(jìn)行2D電磁場時(shí)步有限元計(jì)算，2D永磁體渦流損耗計(jì)算模型是基于渦流沿電機(jī)軸向均勻分布這個(gè)假設(shè)來計(jì)算的。本文首先在ANSYS Maxwell平臺(tái)上建立了一臺(tái)20kW電動(dòng)飛機(jī)永磁同步電機(jī)的2D模型，在基本幾何模型的基礎(chǔ)上，對模型進(jìn)行設(shè)置，其中為了計(jì)算永磁體渦流損耗，對永磁體施加eddy loss（渦流）效應(yīng)。

經(jīng)過2D有限元的計(jì)算，得到徑向每層永磁體渦流損耗的數(shù)值大小如表1所示。

同時(shí)進(jìn)行永磁體渦流損耗周向分布計(jì)算，得出周向每段永磁體內(nèi)的永磁體渦流損耗的大小，將此分布規(guī)律繪制成圖，如圖1所示。

2 渦流分布對同步電機(jī)的影響

根據(jù)永磁同步電機(jī)的渦流損耗分布規(guī)律分析，當(dāng)同步電機(jī)中的渦流遇到障礙物時(shí)，在障礙物的后方形成若干漩渦。同比新月型沙丘的形成，就是風(fēng)遇到沙丘的阻礙后，在沙丘兩翼的后方形成漩渦。根據(jù)能量公式，我們輕易地知道這部分能量損失，如公式1所示：

（1）

式中，Q代表損失能量，I代表電流，R代表電阻，t代表時(shí)間。

顯然，它的大小取決于鐵芯的材料，即磁阻有多少，電流頻率（轉(zhuǎn)速）以及磁通密度（磁通）的大小[4]。

當(dāng)氣隙磁場諧波進(jìn)入鐵芯形成“渦流損耗”時(shí)，或者當(dāng)氣隙磁場諧波由于磁阻變化引起“磁滯損耗”時(shí)，都叫作“高頻雜散損耗”。除此之外，電流變化的時(shí)候形成變化的磁場也會(huì)產(chǎn)生影響。

當(dāng)永磁同步電機(jī)里的磁場變的很強(qiáng)時(shí)，磁滯和渦流就會(huì)達(dá)到活躍狀態(tài);磁場變得很弱時(shí)，鐵芯的“剩磁”開始起作用，這部分“剩磁”產(chǎn)生的磁滯損耗，稱之為“剩磁損耗”，剩磁損耗主要寄生于容易被磁化的材料鐵氧體中。

同步電機(jī)有一個(gè)額定工作轉(zhuǎn)速，高于此轉(zhuǎn)速需要超電壓或者是弱磁驅(qū)動(dòng)，異步電機(jī)弱磁很容易，只要減小相應(yīng)的勵(lì)磁電流就可以了，永磁同步電機(jī)如果需要弱磁，需要增加一個(gè)相應(yīng)的去勵(lì)磁的電流。電機(jī)表面所采用的一般是不易被磁化的鐵芯材料，著重研究不同極槽數(shù)、轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)對永磁體渦流損耗的影響，提出如何進(jìn)行渦流損耗減小的措施，對如何提高電機(jī)性能打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 結(jié)束語

本文提出了電動(dòng)飛機(jī)永磁同步電機(jī)的渦流損耗分布規(guī)律及相應(yīng)的影響研究，基于有限元軟件對渦流損耗進(jìn)行分析，得出渦流損耗的數(shù)值大小與分布規(guī)律圖;并從高溫、磁場變化等方面分析渦流損耗分布的影響。實(shí)現(xiàn)了本文的研究，希望本文的研究能夠?yàn)殡妱?dòng)飛機(jī)永磁同步電機(jī)的渦流損耗分布規(guī)律及相應(yīng)的影響提供理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張德金，熊萬里，呂浪等.高速大功率永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗分析[J].計(jì)算機(jī)仿真，2017（01）：236-240.

[2]劉福貴，張建宇，趙志剛等.盤式永磁同步電機(jī)永磁體渦流損耗研究[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2017，44（07）：13-19.

[3]黃嵩，曾沖，楊永明等.端部結(jié)構(gòu)參數(shù)對1550MW核能發(fā)電機(jī)漏磁及渦流損耗的影響[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016（s1）：200-205.

[4]殷繼偉，戈寶軍，陶大軍等.大型半速汽輪發(fā)電機(jī)非全相工況下轉(zhuǎn)子渦流損耗的研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（20）：5647-5656.