高速永磁電機降低熱損耗方法研究

閆 燕，曹亞軍，侯億森

(上海電機學院 商學院，上海 201306)

0 引 言

在科學技術快速發(fā)展的今天，效率的提高成為了技術進步的重要因素。與傳統(tǒng)的電機相比較，高速電機不需要借助外部復雜傳動裝置，可以直接和高速原動機相連接，具有體積小、功率大、運行成本較低、傳動效率高等優(yōu)點，在飛輪儲能、高速磨床、航天技術、離心壓縮機等方面的應用很廣[1-3]。高速電機的研究成為了國內(nèi)外電機領域的熱點之一。高速電機的主要特點是轉(zhuǎn)子速度高、定子繞組電流和鐵心中磁通頻率高、功率密度和損耗密度大[4]。隨著電機的速度加快，有很多的問題也隨之產(chǎn)生了。主要問題是電機損耗、散熱。普遍采用的方法就是改變電機內(nèi)部的電磁設計[5]。隨著新材料技術的不斷發(fā)展，也可以通過改變電機的制造材料，達到降低損耗的目的。本文主要是介紹了永磁電機不同結構類型，然后闡述了電機定轉(zhuǎn)子的發(fā)展。對永磁電機的熱損耗問題進行了分析，最后分析了高速電機發(fā)展所面臨的主要問題，展望了高速電機的發(fā)展趨勢與前景。希望為高速永磁電機設計提供一定參考。

1 高速永磁電機發(fā)展情況

高速電機的轉(zhuǎn)速一般超過10000 r/min，在高速旋轉(zhuǎn)時，常規(guī)疊片轉(zhuǎn)子難以承受巨大的離心力，需要采用特殊的高強度疊片或?qū)嵭霓D(zhuǎn)子結構[6-7]；對于永磁電機來說，轉(zhuǎn)子強度問題更為突出，因為燒結而成的永磁材料不能承受轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的拉應力[8]。所以需要尋找更加優(yōu)良的材料設計永磁轉(zhuǎn)子。永磁電機具有效率和功率因數(shù)高及轉(zhuǎn)速范圍大等優(yōu)點，因此其在高速應用領域倍受青睞。國內(nèi)部分高校開始研究高速永磁直流電機，拓寬了永磁電機的種類。但對高速永磁電機的研制一般是中低功率，對超大功率的永磁電機研究較少。永磁電機包括兩種類型：外轉(zhuǎn)子永磁和內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁。

1.1 外轉(zhuǎn)子高速永磁電機

外轉(zhuǎn)子永磁電機的轉(zhuǎn)子半徑較大，一般用于重工業(yè)機械設備，可靠性與內(nèi)轉(zhuǎn)子相比較為欠缺，最新應用為永磁式外轉(zhuǎn)子變頻調(diào)速三相同步電動機[9]，效率比異步電動機高。

1.2 內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機

內(nèi)轉(zhuǎn)子永磁電機具有轉(zhuǎn)子半徑小及可靠性強的優(yōu)點，一般是高速電機的首選。國內(nèi)內(nèi)轉(zhuǎn)子高速永磁電機的最大功率已達8 MW，轉(zhuǎn)速15000 r/min，為面貼式[10]永磁轉(zhuǎn)子，采用碳纖維保護套捆扎；最高轉(zhuǎn)速的永磁電機為500000 r/min，功率為1 kW，轉(zhuǎn)子表面線速度為261 m/s，采用合金保護套。

2 電機的定轉(zhuǎn)子設計

高速電機在運行的過程中，會產(chǎn)生不同的損耗，其中以熱損耗最為突出。永磁電機繞組中定子鐵心的磁通交變頻率很高，損耗將會隨交變頻率的增加而增加。轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，永磁體承受高離心力作用，軸承摩擦力劇增，需要增加轉(zhuǎn)子永磁體保護結構[11]，也會使轉(zhuǎn)子內(nèi)部溫度升高。需要選擇適合的定轉(zhuǎn)子結構，降低熱損耗,提高電機效率。

2.1 電機定子的設計

高速電機一般設計為2極或4極。對于2極電機，永磁體可采用整體結構，定子電流和鐵心中磁場的交變頻率較低，有利于降低高頻附加損耗，定子槽數(shù)[12]有多槽、少槽和無槽3種方案可選擇，如表1所示。

表1 高速電機槽型選擇

因此，高速電機定子多選用多槽型，但高速電機頻率高，高頻下的定子鐵心將產(chǎn)生較大的鐵耗，通過合理選取定子鐵心材料，可有效降低定子損耗，提高電機的電磁性能。

隨著進一步研究發(fā)現(xiàn)，可以通過改變定子材料的方式，改變電機的運行效率。提出了一種非晶合金材料，該材料的單位鐵耗遠小于其他材料，但該種材料的飽和磁感應強度較低(為1.2～1.3 T)，適用于鐵心磁通密度較低的高速電機。當電機的工作頻率低于1000 Hz時，軟磁復合材料單位鐵耗值高于普通硅鋼片，當工作頻率高于2000 Hz時，軟磁復合材料才能有效減小高速電機的鐵心損耗[13]。

2.2 電機定子的發(fā)展

高速永磁電機轉(zhuǎn)速高，為限制工作頻率，極對數(shù)一般選為1或2。當電機功率較高，轉(zhuǎn)速稍低時，也可選擇較高的極對數(shù)[14]。極對數(shù)選為1時，常采用定子軛部內(nèi)外都開槽的沖片結構[15]。這種結構的定子，繞組環(huán)繞在電機軛部，極大地減小了端部長度以及轉(zhuǎn)子所需長度，提高了轉(zhuǎn)子剛度。同時，內(nèi)外槽中除繞組區(qū)域外的空間均可作為散熱風道，提高了定子散熱能力。極對數(shù)選為2時，很少采用。另一種解決方法是采用無槽定子。無槽高速永磁電機的電樞反應小，降低了轉(zhuǎn)子損耗和去磁風險[16]。

隨著時代的發(fā)展，越來越多的新型材料可以用于電機定子的設計。軟磁復合(Soft Magnetic Composite，SMC)材料也受到了廣泛關注。由于制造技術還未成熟，非晶合金定子的電機多采用簡單的無槽結構。定子采用SMC材料的高速永磁電機工作磁密一般較低，結構通常有無槽結構[17]和爪極結構。

2.3 電機轉(zhuǎn)子的設計

電機常采用閉口槽，其中閉口槽類型主要有圓孔槽、水滴槽、矩形槽3種如圖1所示。圓孔槽的優(yōu)勢是對轉(zhuǎn)子鐵心上應力的分布影響較小，可保證轉(zhuǎn)子具有較高的機械強度，工藝簡單、成本低，而缺點為轉(zhuǎn)子磁通密度易產(chǎn)生局部過大，導條電流密度過高，轉(zhuǎn)子銅耗較大。水滴槽和矩形槽是在圓孔槽之上改良的，可有效減小轉(zhuǎn)子磁通密度，同時增大了導條面積，減小了導條上的電流密度，具有較小的轉(zhuǎn)子銅耗，但機械強度低于圓孔槽[18]。

圖1 轉(zhuǎn)子槽型

在高速永磁電機中，常用的轉(zhuǎn)子結構主要為表2所示。

表2 永磁電機常用轉(zhuǎn)子結構

因此，永磁電機磁體分段和增加保護套都會降低轉(zhuǎn)子應力，使得電機運轉(zhuǎn)的可靠性增加。缺點就是散熱性太差，影響磁體磁性。需要進一步研究新型永磁體材料，同時要制作散熱性更好地保護套材料，降低熱損耗。

2.4 電機轉(zhuǎn)子的發(fā)展

在轉(zhuǎn)子的設計上，一般采用銅材料。在保證機械強度和降低銅耗的情況下，應選擇電導率較大的銅合金。

2.4.1 轉(zhuǎn)子永磁材料的發(fā)展

隨著技術的進步，永磁材料應用到高速電機的設計中，常用的永磁體材料主要有NdFeB[21]和SmCo[22]。

表3 永磁材料類型

由表格可知，NdFeB是理想的永磁材料，但受到溫度影響較大，作為永磁體會使轉(zhuǎn)子磁性受到影響，影響效率；SmCo若要增加保護套厚度，則會導致制作成本變高。

隨著新材料的發(fā)展，永磁材料領域的熱門研究方向是新一代永磁材料釤鐵氮(Sm2Fe17Nx)，釤鐵氮材料具有飽和磁化強度高(1.54 T)、居里溫度高(470 ℃)、成本低(不受限于戰(zhàn)略物資金屬鈷)的優(yōu)點。

2.4.2 轉(zhuǎn)子保護材料的發(fā)展

保護材料一種采用高強度非導磁護套(如Inconel718[23]、鈦合金等)，另一種是采用碳纖維等高強度纖維捆扎。由于合金材料的電導率較高，電機空間諧波和時間諧波會產(chǎn)生較大的渦流損耗。采用碳纖維捆扎時保護套厚度和高頻渦流損耗較小，但碳纖維是熱的不良導體，不利于永磁轉(zhuǎn)子的散熱。在合金保護套內(nèi)層加入銅屏蔽層可有效抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗，但對碳纖維保護措施抑制效果并不明顯[24]。

針對高速電機，研究出一種半導磁的合金保護套，與非導磁合金保護套相比，采用半導磁保護套可明顯改善電機的空載反電動勢波形[25]。使得電機的電磁轉(zhuǎn)換效率得到提高，電機的運行熱損耗得到降低。

3 電機的冷卻系統(tǒng)設計

高速電機的熱損耗密度較大，設計良好的散熱系統(tǒng)，降低電機溫度是高速電機正常運轉(zhuǎn)的關鍵技術。

傳統(tǒng)的高速永磁電機中采用了機殼水冷的冷卻結構，降溫效率低。隨著進一步研究，高速永磁電機設計出內(nèi)外風冷的冷卻結構，讓空氣流過電機內(nèi)部?；旌贤L把定子分為兩段，定子中間開設徑向風道，冷風從定子中間的徑向風道流入，流經(jīng)定子槽內(nèi)開設的軸向風道，分為兩路，分別吸收轉(zhuǎn)子熱量，流經(jīng)繞組端部，從機殼兩側(cè)的出風口流出，如圖2所示。

圖2 混合通風系統(tǒng)

3.1 冷卻系統(tǒng)的發(fā)展

沈陽工業(yè)大學對一臺1120 kW、18000 r/min的高速永磁電機，分析了槽內(nèi)風冷與機殼水冷相結合的3種冷卻結構:混合通風與螺旋水路、軸向通風與螺旋水路以及軸向通風與直槽水路[26]，混合通風是將定子分為兩段，從定子中間進風，經(jīng)過槽內(nèi)的軸向風道，從機殼兩側(cè)出風。混合通風的冷卻效果好于單一軸向通風，螺旋水路和直槽水路的冷卻效果相近?；旌贤L-水冷系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 混合通風-水冷系統(tǒng)

通過對混合風冷和混合通風-水冷系統(tǒng)進行比較分析，混合通風-水冷系統(tǒng)在進出口冷卻溫差的變化上只在10℃以下，混合風冷進出口溫差則為30℃左右[27]。這說明混合風-水冷系統(tǒng)的冷卻效果較好。對電機的降溫起到顯著改善作用。

3.2 冷卻系統(tǒng)的改進

若將水冷中的液體換成其他吸熱性優(yōu)良的冷卻物質(zhì)，例如冷卻油。那么永磁電機轉(zhuǎn)子和保護套的溫度將會降得更加迅速。在實際中，即使混合冷卻系統(tǒng)運用在永磁電機上，轉(zhuǎn)子的溫度仍遠大于定子。因此，還需尋找散熱性更好的永磁材料制作轉(zhuǎn)子，這樣永磁電機的工作特性將更加穩(wěn)定。

4 結 語

經(jīng)過多年的研究發(fā)展，國外對高速電機的研究已具備了相當?shù)幕A，產(chǎn)業(yè)化勢頭良好。與國外相比，國內(nèi)對高速電機的研究基礎還較薄弱，產(chǎn)業(yè)化水平較低，國內(nèi)對高速電機的研制多集中在中小功率和較低轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)，與國外尚有較大差距。轉(zhuǎn)子存在較大的渦流損耗，轉(zhuǎn)子的溫度仍會變高，需要對新型高強度轉(zhuǎn)子材料和結構進行深入研究，開發(fā)高導熱特性的纖維材料；特大功率的電機國內(nèi)涉及較少。

因此，未來可以研究的方向：尋找冷卻系數(shù)更優(yōu)的介質(zhì)，降低高速永磁電機的定轉(zhuǎn)子熱損耗；特大功率的內(nèi)轉(zhuǎn)子高速電機結構研究；高強度與高耐溫能力的永磁材料、高導熱系數(shù)的纖維材料等新材料的開發(fā)及應用等。