大功率高速永磁同步電機設(shè)計分析

雷艷華，劉廣民

(中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，綿陽 621900)

0 引 言

大功率高速永磁同步電機技術(shù)是動壓風(fēng)機項目的核心技術(shù)之一，我國的技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，缺乏規(guī)?；瘧?yīng)用的成熟技術(shù)或產(chǎn)品。風(fēng)機用大功率高速永磁同步電機技術(shù)，不僅在動壓風(fēng)機項目中需要，而且在航空航天發(fā)電機及動力控制、高速離心機、PCB板鉆孔、數(shù)控機床高速電主軸等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用需求[1]。隨著電機磁路、控制、軸承、散熱、精密機械結(jié)構(gòu)、材料等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，電機的轉(zhuǎn)速與功率指標(biāo)不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛[2]。目前，我國在這些領(lǐng)域的需求大部分依賴國外產(chǎn)品，本文介紹的高速電機設(shè)計，能較大地促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

1 總體設(shè)計過程

電機設(shè)計以項目設(shè)計要求為目標(biāo)，電機優(yōu)化設(shè)計的主要過程如圖1所示。

圖1 大功率永磁電機優(yōu)化設(shè)計流程

1)計算電機的轉(zhuǎn)子直徑和鐵心長度等主要尺寸的初始值；

2)使用ANSYS/RMxprt(磁路法)搭建電機模型，并對電機的尺寸進(jìn)行參數(shù)化。在此基礎(chǔ)上，以最小化電機體積為目標(biāo)，對電機性能進(jìn)行快速優(yōu)化，得到滿足性能要求的設(shè)計；

3)使用ANSYS/Maxwell建立電機的參數(shù)化有限元模型，計算電機的高精度電磁性能和產(chǎn)生的熱量等，并對電機電磁性能進(jìn)行深度優(yōu)化；

4)使用ANSYS/Mechanical進(jìn)行機械強度校驗；

5)使用Motor-CAD進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計和溫升校驗。

翻轉(zhuǎn)課堂改變了傳統(tǒng)的師生關(guān)系，對課堂時間的使用進(jìn)行了重新的規(guī)劃，學(xué)生課前通過教學(xué)視頻完成預(yù)習(xí)，課堂上讓學(xué)生有機會在具體環(huán)境中應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容，結(jié)束學(xué)習(xí)后進(jìn)行客觀公正的綜合評價，通過這一改變提升學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，加深學(xué)習(xí)興趣提高學(xué)科素質(zhì)，讓學(xué)生由教師“讓你學(xué)”變成學(xué)生“我要學(xué)”。是傳統(tǒng)教學(xué)模式的革新。

由于篇幅有限，本文僅對尺寸計算、快速仿真優(yōu)化以及后續(xù)的實驗部分過程進(jìn)行介紹。

2 電機主要尺寸計算[3]

電機主要尺寸是指電機的定子內(nèi)徑和鐵心長度。

電機的轉(zhuǎn)矩密度由電磁負(fù)荷決定，電磁負(fù)荷包括電流線負(fù)荷A和氣隙磁負(fù)荷B。電磁負(fù)荷越高，轉(zhuǎn)矩密度越高。電機的功率密度受到允許溫升的限制，而溫升的原因主要為電機的銅損和鐵損造成的發(fā)熱。電流負(fù)荷和磁負(fù)荷越低，銅損和鐵損越小，溫升越小。因此，電磁負(fù)荷的選擇需要兼顧溫升和轉(zhuǎn)矩密度的要求。

通常情況下，一定功率和速度范圍的電機，A和B的值變化不大。因此，根據(jù)給定的電機設(shè)計指標(biāo)，可將電流線負(fù)荷和氣隙磁場負(fù)荷分別定為A=100 kA/m和B=0.5 T，作為電機設(shè)計的初始值。由式(1)可計算電機的有效體積。

(1)

式中：S為電機的視在功率，S=3VI=99 kVA；Dis為定子的內(nèi)直徑；lef為鐵心長度；n為電機轉(zhuǎn)速；Kdp為繞組系數(shù)；A為電流線負(fù)荷；B為氣隙磁負(fù)荷。

計算可得電機有效體積：

(2)

下一步確定定子內(nèi)徑和鐵心長度，需要使用主要尺寸比：

(3)

根據(jù)電機指標(biāo)要求，電機的極對數(shù)選為2。定子內(nèi)外徑的比例定為0.6，已知定子內(nèi)徑計算值為80 mm，可得定子外徑為135 mm。表1總結(jié)了以上計算結(jié)果。

表1 電機主要尺寸初始值

電機主要尺寸的初始值并不是最終的設(shè)計值，計算的主要目的是為電機電磁性能的磁路法計算和有限元法計算提供一個良好的起點。

3 基于RMxprt的磁路法快速電磁性能計算優(yōu)化

利用RMxprt進(jìn)行電機建模及參數(shù)化選擇。

1)材料選擇：電機鐵心材料選擇B35AV1900，厚度為0.35 mm的無取向硅鋼。由于電機運行溫度較高，磁鋼選擇耐高溫的釤鈷磁鋼。計算剩磁Br和矯頑力公式：

Br=[1+αBr(t-20)]Br20

(4)

Hc=[1+αHc(t-20)]Hc20

(5)

式中：Br20為20 ℃時的剩磁密度；t為工作溫度。

2)電機槽數(shù)：電機的槽數(shù)選擇為36，每極每相槽數(shù)為36/4/3=3，有助于降低諧波。

3)電機參數(shù)化：選取RMxprt中的Adjust-Speed-Synchronous Machine模板，對電機的尺寸進(jìn)行參數(shù)化，其中包括定轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑、定子槽尺寸、磁鋼厚度等。

4)電機優(yōu)化

對電機的重要尺寸、繞組方式等組合進(jìn)行快速優(yōu)化。

如圖2所示，當(dāng)定子內(nèi)徑和外徑都固定時，對鐵心長度和永磁體厚度進(jìn)行參數(shù)掃描。結(jié)果表明，在鐵心長度為92 mm時，永磁體厚度3.5 mm與4.0 mm所實現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩相同，且此時效率達(dá)到峰值96.15%。顯而易見，選取厚度3.5 mm的永磁體是合適的。設(shè)計目標(biāo)要求的電機效率為95%，而RMxprt中采用的等效磁路法不考慮護套可能產(chǎn)生的渦流損耗，預(yù)留1.15%損耗也可以用于補償護套渦流損耗以達(dá)到設(shè)計目標(biāo)需求。

圖2 不同永磁體厚度下，定子長度與效率的關(guān)系

通過上述的參數(shù)化掃描方法，對大量的參數(shù)組合進(jìn)行效率體積最優(yōu)化計算，表2為部分性能計算結(jié)果。

表2 RMxprt電機性能計算結(jié)果

4 電機實驗

根據(jù)電磁設(shè)計結(jié)果，加工了一臺額定轉(zhuǎn)速為30 000 r/min、功率為75 kW的高速電機，如圖3所示。并搭建了高速電機運行平臺，包括高速電機、安裝平臺、水冷機、驅(qū)動系統(tǒng)等，如圖4所示。

圖3 高速電機

圖4 高速電機測試系統(tǒng)

由空載反電動勢實驗測試結(jié)果(如圖5所示)可以看出，空載反電動勢與轉(zhuǎn)速之比接近常數(shù)，說明高速電機運行在非磁飽和狀態(tài)，而且空載反電動勢波形質(zhì)量較好，畸變率較低。

圖5 空載反電動勢測試分析

對空載反電動勢的諧波成分作分析處理，發(fā)現(xiàn)了偶次諧波，這是受到電機定子形狀誤差帶來的影響。

對電機齒槽轉(zhuǎn)矩波動進(jìn)行測試，電機的齒槽轉(zhuǎn)矩為0.4 N·m，而額定轉(zhuǎn)矩為23.7 N·m，齒槽轉(zhuǎn)矩僅為額定電磁轉(zhuǎn)矩的1.69%，能滿足運行要求。究其原因是由于電機加工裝配等過程中，出現(xiàn)了齒槽轉(zhuǎn)矩波動疊加現(xiàn)象。

電機制造過程中的工藝控制，對電機性能有著至關(guān)重要的影響。由于電機加工過程中有來自設(shè)備、測量以及環(huán)境等各種誤差源，均可能導(dǎo)致電機制造出現(xiàn)尺寸偏差，而定子加工帶來的誤差對齒槽轉(zhuǎn)矩有直接的影響。圖6為在定轉(zhuǎn)子尺寸理想狀態(tài)下，齒槽轉(zhuǎn)矩在一個機械周期內(nèi)的波形圖，電機的齒槽轉(zhuǎn)矩總共含有36個波動周期對應(yīng)定子槽數(shù)。圖7～圖10分別為定子槽口寬度不一致、定轉(zhuǎn)子不同心、定子橢圓和以上三種情況疊加下的齒槽轉(zhuǎn)矩波形。從圖7～圖10中可以看出，隨著電機相關(guān)尺寸的變化，齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值逐漸增大，三種情況疊加時幅值增大最多，同時波形中都會產(chǎn)生與磁極數(shù)p及其倍數(shù)次的諧波。

圖6 理想尺寸下的齒槽轉(zhuǎn)矩波形

圖7 槽口寬度不相等時的齒槽轉(zhuǎn)矩波形

圖8 電機定轉(zhuǎn)子不同心時的齒槽轉(zhuǎn)矩

圖9 電機定子橢圓時的齒槽轉(zhuǎn)矩

圖10 三種狀態(tài)疊加后的齒槽轉(zhuǎn)矩波形

利用FFT工具對上面五種狀態(tài)下的電機齒槽轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得如圖11所示的諧波分析圖。從圖11中可以看出，理想狀態(tài)下齒槽轉(zhuǎn)矩波動僅含有36個周期，而隨著各種尺寸誤差的產(chǎn)生，齒槽轉(zhuǎn)矩中將會產(chǎn)生周期數(shù)更低的波形，而波形周期數(shù)對應(yīng)于電機的極數(shù)或其倍數(shù)。分析結(jié)果可以看出，電機的槽口寬度尺寸誤差對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響最為顯著，在加工過程中尤其要注意定子槽口尺寸的誤差控制。

圖11 齒槽轉(zhuǎn)矩諧波分析

通過定性分析加工過程中尺寸的變化對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，為保證齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化更小，應(yīng)從工藝角度，嚴(yán)格把控電機定子尺寸的加工精度，也再次證實了設(shè)計之初，用來降低齒槽轉(zhuǎn)矩的斜槽結(jié)構(gòu)未被采納也是此次研制過程的遺憾。

5 結(jié) 語

本文研究通過ANSYS/Maxwell等數(shù)值計算工具，實現(xiàn)了電機的電磁計算分析，并且進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，研制成功75 kW、30 000 r/min的大功率高速永磁同步電機，功能指標(biāo)達(dá)到了課題預(yù)期目的。

本課題的目的為單位自研能力突破，綜合電機實驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，齒槽轉(zhuǎn)矩波動在實際應(yīng)用過程中，尤其是大功率電機，是非常重要的性能影響因素，關(guān)系到電機的運行振動噪聲以及壽命等指標(biāo)，也因此部分反映了自研電機與國外產(chǎn)品的差距所在。由此揭示了設(shè)計層面往往單純的二維仿真分析，并不能滿足某些高性能電機的設(shè)計要求，需要輔助三維仿真及其他深層設(shè)計研究手段。

而在加工制造環(huán)節(jié)，高性能電機生產(chǎn)有別于傳統(tǒng)電機的制造精度要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高定轉(zhuǎn)子的加工以及裝配精度。