基于軟磁復(fù)合材料的超高速永磁同步電機(jī)電磁設(shè)計(jì)分析*

韋福東, 王建輝, 劉朋鵬

[上海電器科學(xué)研究所(集團(tuán))有限公司,上海 200063]

0 引 言

超高速電機(jī)因其具有轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，可以直接驅(qū)動(dòng)高速負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高速空氣壓縮機(jī)、高速磨床、航空航天等高端制造設(shè)備[1]。但是因?yàn)槠滢D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速高，所以電機(jī)額定頻率也遠(yuǎn)高于普通電機(jī)，導(dǎo)致電機(jī)損耗較大[2]。對(duì)于超高速電機(jī)來說，合理選擇定子鐵心材料可以有效降低電機(jī)定子鐵耗。

軟磁復(fù)合(SMC)材料是一種新型不規(guī)則鐵基金屬粉末材料，微粒直徑通常約為0.1 mm，通過表面噴裹無機(jī)絕緣層，有效降低材料的渦流損耗[3-4]。與傳統(tǒng)硅鋼片材料相比，SMC材料具有良好的可塑性，使研制復(fù)雜定子鐵心形狀成為可能。通過調(diào)整SMC粉末混合物成分，可以使鐵心材料表現(xiàn)出不同的損耗特性和機(jī)械強(qiáng)度[4]。

由于SMC材料具有磁熱各向同性，材料利用率高等優(yōu)點(diǎn)，已在軸向磁通電機(jī)等多種特種電機(jī)中取得應(yīng)用。吳巧變[5]將SMC材料應(yīng)用到橫向磁通永磁無刷電機(jī)中，降低了漏磁和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)；劉成成[6]提出一種SMC材料鐵心永磁電機(jī)新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)SMC材料鐵心爪極電機(jī)和橫向磁通電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩抑制進(jìn)行了研究。王曉光等[7]對(duì)基于SMC材料的軸向磁通永磁電機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，利用SMC材料的加工特點(diǎn)對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以彌補(bǔ)SMC材料磁導(dǎo)率低的缺點(diǎn)。黃平林等[8]對(duì)定子鐵心采用SMC材料、轉(zhuǎn)子采用Halbach磁路的6 000 r/min永磁同步電機(jī)(PMSM)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，驗(yàn)證SMC材料應(yīng)用的可行性及Halbach陣列可有效增強(qiáng)氣隙磁密、屏蔽漏磁的功能。鄭沛[9]從不同極槽配合、套筒結(jié)構(gòu)等方面對(duì)高速PMSM的進(jìn)行對(duì)比分析，優(yōu)化了電機(jī)電磁性能。

本文利用有限元法分析對(duì)比SMC材料和硅鋼片材料的電磁特性，從磁滯損耗、渦流損耗及附加損耗角度對(duì)不同鐵磁材料的電機(jī)鐵耗進(jìn)行對(duì)比分析，并以1臺(tái)4 000 r/min的SMC材料PMSM為例，通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可以較為準(zhǔn)確地反映電機(jī)實(shí)際鐵耗情況。最后，提出1臺(tái)定子鐵心采用SMC材料的120 000 r/min超高速PMSM設(shè)計(jì)方案，對(duì)比12槽2極、18槽2極2種極槽配對(duì)電機(jī)電磁性能的影響，為超高速PMSM電磁設(shè)計(jì)提供一定的指導(dǎo)。

1 電磁特性對(duì)比

鐵磁材料的導(dǎo)磁能力是表征鐵磁材料的一項(xiàng)重要參數(shù)，可以用磁導(dǎo)率來表示：

(1)

式中：B為磁通密度幅值；μ0為真空磁導(dǎo)率。

由于鐵基粉末外的絕緣材料不導(dǎo)磁，SMC材料的磁導(dǎo)率在磁密較小時(shí)，僅約為硅鋼片材料的5%，隨磁密增加，SMC材料的磁導(dǎo)率逐漸增大，但是依然低于硅鋼片材料。赫格納斯(中國)有限公司生產(chǎn)的700HR-5P-SMC材料與寶武鋼鐵生產(chǎn)的B20AV1300、50WW350硅鋼片的磁化曲線對(duì)比如圖1所示。

圖1 SMC與硅鋼片磁化曲線對(duì)比

由圖1可知，SMC材料BH曲線的拐點(diǎn)約為1 T，飽和點(diǎn)僅為1.6 T，明顯低于B20AV1300、50WW350硅鋼片材料的拐點(diǎn)和飽和點(diǎn)。因此，在相同的勵(lì)磁情況下，SMC材料的磁密要低于硅鋼片材料。

2 定子鐵耗分析

超高速電機(jī)鐵耗主要包含磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗，Bertotti鐵耗計(jì)算模型如下：

PFe=Ph+Pc+Pe=khfBa+kcf2B2+kef1.5B1.5

(2)

式中：Ph為磁滯損耗；Pc為渦流損耗；Pe為附加損耗；kh、a為磁滯損耗系數(shù)；kc為渦流損耗系數(shù)；ke為附加損耗系數(shù)；f為頻率。

磁滯損耗Ph是指鐵磁材料在交變磁場(chǎng)中被反復(fù)磁化，磁疇不斷旋轉(zhuǎn)并相互摩擦所消耗的能量。磁滯損耗的大小與材料的磁滯回線所包圍的面積大小成正比，磁場(chǎng)頻率升高，矯頑力Hc增大，使磁滯回線變寬，磁滯損耗隨之增大。通常情況下，顆粒尺寸越小，磁滯損耗越大[10]。由于SMC材料特殊的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，與硅鋼材料相比，SMC材料的磁滯損耗更大。

渦流損耗Pc是由于鐵磁材料在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生感生電流引起的損耗。傳統(tǒng)電機(jī)通常采用彼此絕緣的硅鋼片疊壓而成，來降低渦流損耗。渦流損耗系數(shù)可以表示為

(3)

式中：ρ為鐵心材料電阻率；ρFe為鐵心材料密度；d為單位鐵心材料厚度。

由式(3)可知，電機(jī)鐵心渦流損耗系數(shù)與鐵心材料密度、鐵心材料電阻率成反比，與單位鐵心材料厚度成正比。因此，可以通過增大鐵心材料電阻率、降低單位鐵心材料厚度來減小電機(jī)的渦流損耗。

與硅鋼片相比，SMC材料由于顆粒微小且表面存在絕緣層，可以大大增加各方向的電阻率，有效降低鐵磁材料微觀渦流及宏觀渦流損耗的產(chǎn)生，從而降低渦流損耗。因此，雖然SMC材料的磁滯損耗系數(shù)相對(duì)較大，但是渦流損耗系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于硅鋼片材料。

由式(2)的Bertotti鐵耗計(jì)算模型可知，電機(jī)的磁滯損耗與頻率成正比，而渦流損耗與頻率的平方成正比。當(dāng)電機(jī)頻率升高，單位質(zhì)量的鐵耗也會(huì)隨之增大，且渦流損耗增長(zhǎng)更快。超高速電機(jī)的額定頻率通常為數(shù)百赫茲，甚至上千赫茲，電機(jī)鐵耗占總損耗的比例較大，因此SMC材料因其渦流損耗系數(shù)小更具優(yōu)勢(shì)，可以有效降低鐵耗，提高電機(jī)效率，減小電機(jī)溫升。

3 有限元仿真及樣機(jī)驗(yàn)證

3.1 有限元仿真

為了研究對(duì)比SMC材料對(duì)電機(jī)鐵耗的影響，本文提出了定子鐵心分別采用700HR-5P-SMC材料及B20AV1300、50WW350硅鋼片的PMSM設(shè)計(jì)方案。各方案的轉(zhuǎn)子鐵心均采用50WW350硅鋼片，僅從電磁設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對(duì)比不同鐵心材料對(duì)電機(jī)鐵耗的影響。主要設(shè)計(jì)參數(shù)均如表1所示。

表1 PMSM主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)表1的電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，建立18槽16極PMSM有限元仿真分析模型,如圖2所示。

圖2 18槽16極PMSM有限元仿真模型

根據(jù)產(chǎn)品型譜所提供的鐵耗系數(shù)或BP曲線，乘以電機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)后，700HR-5P-SMC材料、B20AV1300、50WW350硅鋼片的磁滯損耗系數(shù)、渦流損耗系數(shù)及附加損耗系數(shù)如表2所示。

表2 SMC材料及硅鋼片材料鐵耗系數(shù)對(duì)比

通過有限元仿真分析，得到不同頻率時(shí)，電機(jī)的鐵耗曲線如圖3所示。

圖3 不同定子鐵心材料電機(jī)鐵耗對(duì)比

由圖3可知，B20AV1300在全頻率范圍內(nèi)具有鐵耗優(yōu)勢(shì)；低頻時(shí)，50WW350硅鋼片的鐵耗低于700HR-5P-SMC材料；電機(jī)運(yùn)行在額定轉(zhuǎn)速時(shí)，700HR-5P-SMC定子鐵心設(shè)計(jì)方案的鐵耗為196.59 W，50WW350硅鋼片定子鐵心設(shè)計(jì)方案的鐵耗為197.34 W，SMC材料的鐵耗開始低于50WW350硅鋼片材料的鐵耗。當(dāng)頻率為2 000 Hz時(shí)，SMC材料方案的鐵耗為989.73 W，50WW350方案的鐵耗為2 098.62 W?？芍?，高頻時(shí)B20AV1300鐵耗最低，700HR-5P-SMC其次，具有進(jìn)一步改進(jìn)和研究的價(jià)值。

3.2 樣機(jī)驗(yàn)證

根據(jù)有限元仿真結(jié)果，對(duì)定子鐵心采用700HR-5P-SMC材料的18槽16極PMSM進(jìn)行樣機(jī)試制，通過進(jìn)行額定轉(zhuǎn)速以內(nèi)的空載試驗(yàn)，測(cè)得并分析計(jì)算電機(jī)鐵耗值，以驗(yàn)證有限元法分析的準(zhǔn)確性。SMC材料樣機(jī)定子鐵心及試驗(yàn)如圖4、圖5所示。

圖4 樣機(jī)SMC定子鐵心

圖5 樣機(jī)試驗(yàn)

將樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果與有限元法求得的鐵耗數(shù)值進(jìn)行對(duì)比分析，如表3所示。

表3 樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

由表3可知，有限元仿真法與樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果基本相近，證明該數(shù)值計(jì)算法可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算SMC電機(jī)鐵耗。

4 超高速PMSM方案對(duì)比

根據(jù)以上研究結(jié)果，提出一種120 000 r/min的超高速PMSM，該電機(jī)的定子鐵心采用SMC材料，轉(zhuǎn)子采用N38UH永磁體實(shí)心軸外加合金鋼護(hù)套的設(shè)計(jì)方案，對(duì)比12槽2極、18槽2極2種極槽配合對(duì)電機(jī)電磁性能的影響。電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表4所示。為了保證方案對(duì)比合理有效，通過調(diào)整繞組每槽導(dǎo)體數(shù)、匝數(shù)和線徑，保持電機(jī)電負(fù)荷和槽滿率基本一致。

表4 超高速PMSM主要設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)表4的電機(jī)主要設(shè)計(jì)參數(shù)，建立超高速PMSM有限元仿真分析模型，通過仿真分析得到電機(jī)空載磁密如圖6所示。

圖6 超高速PMSM磁密圖

由圖6可知，空載情況下，2種方案超高速PMSM的齒磁密基本一致。通過有限元仿真分析得到氣隙磁密波形如圖7所示。2種方案的定子槽數(shù)不同，受槽口因素影響，18槽2極方案的氣隙磁通密度波動(dòng)略小于12槽2極。

圖7 空載氣隙磁密對(duì)比波形圖

為了對(duì)比相同鐵心材料下不同極槽配合對(duì)電機(jī)性能的影響，通過傅里葉分解對(duì)12槽2極和18槽2極的SMC材料方案的氣隙磁密對(duì)比分析，得到各階諧波分量如圖8所示。

圖8 氣隙磁密諧波含量對(duì)比

利用短距繞組削弱諧波電動(dòng)勢(shì)的方法，12槽2極方案采用節(jié)距τ=5的設(shè)計(jì)，18槽2極方案采用節(jié)距τ=8的設(shè)計(jì)。由圖8可知，18槽2極方案有效降低了7、9次諧波，正弦度更好。

各方案的空載反電動(dòng)勢(shì)、轉(zhuǎn)矩波動(dòng)、損耗及效率仿真分析結(jié)果如表5所示。

表5 仿真結(jié)果對(duì)比

由表5可知，與12槽2極方案相比，通過調(diào)整電機(jī)匝數(shù)，保持18槽2極方案的空載反電動(dòng)勢(shì)基本不變，相同力矩下，銅耗下降約40%，鐵耗下降約30.6%，效率提高約1.31%，優(yōu)化效果較為明顯。

5 結(jié) 語

本文通過對(duì)1臺(tái)4 000 r/min PMSM進(jìn)行有限元仿真，對(duì)比分析了不同定子鐵心材料對(duì)電機(jī)的鐵耗差異，通過樣機(jī)驗(yàn)證了鐵耗分析的準(zhǔn)確性；并以1臺(tái)120 000 r/min超高速PMSM為例，對(duì)比不同極槽配合下電機(jī)性能差異，得出以下結(jié)論：

(1)在磁密較小時(shí)，SMC材料的磁導(dǎo)率明顯低于硅鋼片材料，BH曲線的拐點(diǎn)也低于硅鋼片材料，在相同的勵(lì)磁情況下，SMC材料的磁密要低于硅鋼片材料。

(2)SMC材料的磁滯損耗系數(shù)相對(duì)較大，但是渦流損耗系數(shù)遠(yuǎn)小于50WW350及B20AV1300硅鋼片。與50WW350相比，SMC材料在高頻時(shí)的鐵耗優(yōu)勢(shì)較為明顯。但是與B20AV1300硅鋼片相比，SMC材料的鐵耗較高，還有較大的優(yōu)化空間。

(3)通過樣機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證可知，本文所提到的鐵耗分析過程較為準(zhǔn)確，為SMC材料電機(jī)鐵耗分析提供了一種有效的方法。

(4)通過有限元仿真分析可知，采用18槽2極超高速PMSM的空載氣隙磁密更接近正弦波、各次諧波含量低、銅耗和鐵耗也有較大降低，電磁性能更優(yōu)異，為采用SMC材料的超高速PMSM設(shè)計(jì)及鐵耗計(jì)算提供一定的指導(dǎo)。