磁鋼充磁方式對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗研究

路文開，張 衛(wèi)，唐 楊，

(1.貴州大學(xué)，貴陽 550025； 2.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴陽 550003；3.國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴陽 550003)

0 引 言

高速永磁電機(jī)可與原動(dòng)機(jī)直驅(qū)，省去中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，減小了整機(jī)體積，提高效率。這些優(yōu)點(diǎn)使其在工業(yè)智能制造、現(xiàn)代交通、航空航天、國防裝備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。但由于高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速高，電機(jī)內(nèi)部的磁場變化頻率高達(dá)上千赫茲，導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗及溫升較為嚴(yán)重[2-3]，因此減小轉(zhuǎn)子渦流損耗對(duì)高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)高速度電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗研究較多，如文獻(xiàn)[4]采用在轉(zhuǎn)子護(hù)套分段減小轉(zhuǎn)子渦流損耗，分析了軸向分段、徑向分段對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗影響，該方法適用于極數(shù)較少永磁電機(jī)，且增加電機(jī)生產(chǎn)工藝。文獻(xiàn)[5]對(duì)比了4種不同的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)渦流損耗，進(jìn)而減小電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗，這些結(jié)構(gòu)只適用于內(nèi)置式永磁電機(jī)。文獻(xiàn)[6]分析了永磁電機(jī)極弧系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響，闡述極弧系數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗規(guī)律，為進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)子渦流損耗提供參考。

不同永磁體充磁方式影響永磁電機(jī)內(nèi)部磁場分布，進(jìn)而影響電機(jī)性能[7]，且充磁方式選擇是電機(jī)永磁體設(shè)計(jì)重要環(huán)節(jié)。然而從永磁體充磁方向?qū)D(zhuǎn)子渦流損耗進(jìn)行深入分析的文獻(xiàn)較少，因此研究充磁方式對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗影響，對(duì)設(shè)計(jì)高效率電機(jī)具有重要參考價(jià)值。 本文建立兩種常見永磁體充磁模型，采用時(shí)步有限元法分析永磁電機(jī)在不同充磁方式下的電磁場特征，在此基礎(chǔ)上對(duì)比分析了兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)在三種不同工作條件下的轉(zhuǎn)子渦流損耗。

1 兩種永磁體結(jié)構(gòu)與電機(jī)物理模型

1.1 兩種永磁體結(jié)構(gòu)

瓦片形磁極在永磁電機(jī)中應(yīng)用最廣泛，常見瓦片形磁極有平行充磁與徑向充磁，如圖1所示[7]。

(a) 平行充磁

(b) 徑向充磁

為了便于計(jì)算圖1(a)，將磁化永磁體等效為均勻的電流層，則AB與BC端面電流層大小：

式中：α為永磁體的機(jī)械夾角；JS為等效面電流之值。

沿BC和AD邊的磁化強(qiáng)度矢量M和單位法向矢量n是連續(xù)變化的，其變化的電流層可以表示：

JSC=JSsinθ

式中：θ為BC和AD邊上某點(diǎn)處磁化強(qiáng)度矢量M沿逆時(shí)針轉(zhuǎn)向n所構(gòu)成夾角。

徑向充磁時(shí)，兩端面BC和AD的電流層表示：

JSC=M×n=0

在AB和CD邊上，M與n的夾角與α無關(guān)，其電流層：

JSR=JS

1.2 永磁電機(jī)有限元分析模型

高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)多采用內(nèi)轉(zhuǎn)子表貼式結(jié)構(gòu)，本文分析采用高速永磁電機(jī)截面圖，如圖2所示，主要尺寸如表1所示 。在電機(jī)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)與材料相同的情況下，改變永磁體磁化方向?qū)υ摳咚儆来烹姍C(jī)進(jìn)行分析。表1為高速永磁電機(jī)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖2 高速永磁電機(jī)物理模型

表1 高速永磁電機(jī)主要尺寸

2 電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗計(jì)算模型

轉(zhuǎn)子中的渦流損耗包括護(hù)套、磁鋼和磁極隔板中的渦流損耗[8]。為了充分考慮電機(jī)中磁路飽和、集膚效應(yīng)以及渦流對(duì)磁場的削弱等影響因素，本文采用時(shí)步有限元計(jì)算分析方法。

根據(jù)麥克斯韋方程，電機(jī)內(nèi)部二維電磁場表達(dá)式：

式中：A為磁矢位；ν為磁阻率；J0為定子繞組電流密度；JM為永磁體等效電流密度；Je為感應(yīng)電流密度。

在電磁場的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步求解電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗[9]：

因此轉(zhuǎn)子渦流損耗：

3 充磁方式對(duì)永磁電機(jī)氣隙磁密的影響

根據(jù)高速永磁電機(jī)物理模型以及兩種不同的永磁體結(jié)構(gòu)，在永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗的數(shù)值計(jì)算模型基礎(chǔ)上，用Ansys有限元軟件，求解兩種不同充磁方式下電機(jī)氣隙磁密，如圖3所示。

圖3 不同充磁方式永磁電機(jī)氣隙磁密對(duì)比

由圖3可看出，徑向氣隙磁密波形中的尖峰為開槽引起的氣隙磁密變化，一個(gè)周期內(nèi)尖峰數(shù)等于定子槽數(shù)。忽略定子槽口的影響，徑向氣隙磁密波形寬度比平行充磁要大，但徑向充磁氣隙磁密幅值比平行充磁小。這是因?yàn)椴煌浯欧绞綄?dǎo)致不同永磁體磁化方向長度不同，徑向充磁時(shí)永磁體各個(gè)位置處磁化長度相等，氣隙磁密的波形更近似方形。對(duì)氣隙磁密進(jìn)行傅里葉分解，得到不同充磁方式下氣隙磁密諧波，如圖4所示。

圖4 永磁電機(jī)氣隙磁密諧波含量對(duì)比

由圖4可以看出，永磁體采用徑向充磁時(shí)氣隙磁密的基波幅值0.74 T，平行充磁基波幅值為0.80 T，比徑向充磁時(shí)提高了8.1%，且徑向氣隙磁密的諧波高于平行充磁諧波。

4 充磁方向?qū)τ来烹姍C(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗影響

4.1 空載時(shí)轉(zhuǎn)子渦流損耗分析

為了分析不同的永磁體充磁方向?qū)D(zhuǎn)子渦流損耗影響，首先分析電機(jī)的激勵(lì)源僅為永磁體所提供主激磁磁場工況下的轉(zhuǎn)子渦流損耗，此時(shí)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗如圖5所示，轉(zhuǎn)子渦流損耗分布如表2所示。

圖5 空載時(shí)轉(zhuǎn)子渦流損耗對(duì)比

表2 空載時(shí)轉(zhuǎn)子渦流損耗分布對(duì)比

通過數(shù)據(jù)分析，高速永磁電機(jī)空載時(shí)，平行充磁的轉(zhuǎn)子渦流損耗比徑向充磁大58%，在轉(zhuǎn)子渦流總損耗中，護(hù)套損耗以及永磁體之間的極間鋁棒損耗占主要部分，高達(dá)轉(zhuǎn)子渦流總損耗的78%，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)子的渦流損耗與介質(zhì)電導(dǎo)率有關(guān)，護(hù)套與鋁棒的電導(dǎo)率都大于永磁體電導(dǎo)率。

4.2 相同電壓源驅(qū)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子渦流損耗分析

不同充磁方式的永磁電機(jī)對(duì)定子繞組電流的波形和幅值影響不同，進(jìn)而導(dǎo)致不同充磁方式下轉(zhuǎn)子渦流損耗不同，在相同電壓源驅(qū)動(dòng)下，永磁電機(jī)機(jī)械瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)各相繞組電流曲線如圖6所示。

圖6 相同電壓源驅(qū)動(dòng)下相電流對(duì)比

通過分析可得出，兩種磁極結(jié)構(gòu)電機(jī)在相同電壓源驅(qū)動(dòng)下，平行充磁各相電流大于徑向充磁各相電流，這是因?yàn)椴煌浯欧较驅(qū)е码姍C(jī)內(nèi)部電磁場不同，進(jìn)而得到不同的感應(yīng)電動(dòng)勢。負(fù)載運(yùn)行時(shí)，定子繞組電流不同，導(dǎo)致負(fù)載下不同充磁方式的電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗不同，如圖7及圖8所示，平行充磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗更小。

圖7 相同電壓源驅(qū)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子渦流損耗

圖8 圖7的局部放大圖

4.3 相同電流源驅(qū)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子渦流損耗分析

在相同電流源驅(qū)動(dòng)下，兩種永磁電機(jī)機(jī)械瞬態(tài)運(yùn)行時(shí)各相繞組電流曲線如圖9所示，此時(shí)兩種磁極結(jié)構(gòu)相電流相同，進(jìn)而可以得出兩種電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩是相同的，在相同電流源下轉(zhuǎn)子的渦流損耗如圖10所示。

圖9 相同電流源驅(qū)動(dòng)時(shí)相電流對(duì)比

圖10 相同電流源驅(qū)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子渦流損耗對(duì)比

通過分析可得出，兩種永磁體結(jié)構(gòu)電機(jī)在相同電流源驅(qū)動(dòng)下，平行充磁永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗近似等于徑向充磁轉(zhuǎn)子渦流損耗。轉(zhuǎn)子渦流損耗是由定子繞組電流的時(shí)間諧波和空間諧波以及定子槽開口引起氣隙磁導(dǎo)變化共同導(dǎo)致，同時(shí)通過負(fù)載與空載轉(zhuǎn)子渦流損耗綜合分析可得，定子槽開口引起永磁體激勵(lì)進(jìn)而產(chǎn)生轉(zhuǎn)子渦流損耗是不可忽視。

5 極槽配合對(duì)永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗影響

在研究6極18槽永磁電機(jī)充磁方式對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步研究不同極槽配合下充磁方式對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。考慮到不同的極槽下轉(zhuǎn)子渦流損耗的可比性，保持表1永磁電機(jī)主要尺寸不變，電機(jī)定子都采用18槽結(jié)構(gòu)的硅鋼片，轉(zhuǎn)子極數(shù)選擇2極、4極、6極、8極、10極，采用有限元分析方法得到相同電壓源下不同極槽的轉(zhuǎn)子渦流損耗均值變化，如圖11所示。

圖11 相同電壓源下不同極槽配合轉(zhuǎn)子渦流損耗

由圖11可知，在相同電壓源下，當(dāng)極對(duì)數(shù)p<4時(shí)，采用徑向充磁轉(zhuǎn)子渦流損耗更??；當(dāng)極對(duì)數(shù)p>6時(shí)，采用平行充磁轉(zhuǎn)子渦流損耗更小。采用同樣的方法，對(duì)上述不同極槽配合的永磁電機(jī)施加相同的電流源時(shí)，兩種充磁方式下永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子渦流損耗近似相等。

6 結(jié) 語

本文以一臺(tái)6極18槽高速永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)為例，采用有限元方法計(jì)算了兩種充磁方式下永磁電機(jī)內(nèi)部的電磁場與轉(zhuǎn)子渦流損耗，得到了永磁電機(jī)在不同充磁方式下及不同負(fù)載條件下與轉(zhuǎn)子渦流損耗的比較，結(jié)論如下：

1) 內(nèi)轉(zhuǎn)子表貼式高速永磁電機(jī)采用平行充磁時(shí)，氣隙磁密幅值更大，諧波含量更少。

2) 相同電壓源驅(qū)動(dòng)兩種表貼式永磁電機(jī)時(shí)，該類型永磁電機(jī)采用平行充磁轉(zhuǎn)子渦流損耗高于徑向充磁轉(zhuǎn)子渦流損耗。

3) 相同電流源驅(qū)動(dòng)或相同轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)，該類型永磁電機(jī)采用平行充磁轉(zhuǎn)子渦流損耗近似等于徑向充磁轉(zhuǎn)子渦流損耗。

4) 綜合對(duì)比分析空載與負(fù)載的轉(zhuǎn)子渦流損耗可以看出，定子槽開口引起氣隙磁導(dǎo)變化對(duì)永磁電機(jī)內(nèi)的電磁場與轉(zhuǎn)子渦流損耗影響較大。

5) 由圖11可得，從降低轉(zhuǎn)子渦流損耗角度出發(fā)，相同電壓源下該類型的永磁電機(jī)極數(shù)較少時(shí)宜采用徑向充磁；當(dāng)極數(shù)較多時(shí)宜采用平行充磁。當(dāng)采用相同電流源時(shí)兩種充磁方式下的轉(zhuǎn)子渦流損耗近似相等。