帶有不同屏蔽層結(jié)構(gòu)的高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

李 偉，江曉波，孫 魯，彭輝燈

(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司(國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心)，貴州 貴陽(yáng) 550008；2.空裝成都局駐貴陽(yáng)地區(qū)第一軍代表室，貴州 貴陽(yáng) 550008)

0 引言

高速永磁電機(jī)由于其高功率密度、高效等優(yōu)點(diǎn)，在航空起發(fā)電機(jī)、高速磨床、飛輪儲(chǔ)能等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。但由于高速電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱條件差，永磁電機(jī)高頻諧波電流在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生大量的渦流損耗，易造成永磁體溫升過高，甚至發(fā)生不可逆失磁[3-4]。為了提高高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)精度和運(yùn)行穩(wěn)定性，抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗至關(guān)重要。

為減小高速永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子渦流損耗，目前已有大量文獻(xiàn)對(duì)渦流損耗抑制方法進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[5-6]研究了不同極槽配合對(duì)各次時(shí)空諧波含量的抑制作用，并進(jìn)一步研究不同相數(shù)電機(jī)氣隙磁密諧波畸變率和繞組損耗系數(shù)變化規(guī)律。文獻(xiàn)[7-8]研究了不同繞組形式對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響，采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組可以有效地增大電機(jī)的效率，但會(huì)引入額外的諧波增大轉(zhuǎn)子的渦流損耗。而采用雙層繞組可以有效地抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗。此外針對(duì)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組的電機(jī)，為進(jìn)一步優(yōu)化其性能，文獻(xiàn)[9]采用定子齒部開輔助槽的方法優(yōu)化氣隙磁密，減小磁導(dǎo)諧波含量，有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)子的渦流損耗。

除了優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗，也可以通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)減小渦流損耗。文獻(xiàn)[10-11]將永磁體表面做開槽處理，切斷永磁體上的渦流回路，降低渦流大小。而永磁體完全分隔會(huì)增加成本，降低轉(zhuǎn)子機(jī)械魯棒性，采用環(huán)形分割的方法能夠在保證電機(jī)機(jī)械魯棒性的前提下，減小轉(zhuǎn)子的渦流損耗。針對(duì)帶有金屬護(hù)套的高速永磁電機(jī)，分別采用護(hù)套周向和軸向開槽的方法在保證電機(jī)性能的條件下抑制金屬護(hù)套的渦流損耗[12-13]。文獻(xiàn)[14-16]針對(duì)帶有屏蔽結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行渦流密度分布分析，利用屏蔽層高電導(dǎo)率特性屏蔽電流高次諧波在永磁體中產(chǎn)生的損耗，并在此基礎(chǔ)上提出了一種局部屏蔽結(jié)構(gòu)，在抑制永磁體損耗的基礎(chǔ)上減小了屏蔽層的損耗。此外文獻(xiàn)[17]提出一種轉(zhuǎn)子疊片銅阻尼環(huán)結(jié)構(gòu)，此種結(jié)構(gòu)對(duì)于抑制單層繞組的電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗效果尤其明顯。

本文針對(duì)高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，對(duì)比內(nèi)外層屏蔽結(jié)構(gòu)以及屏蔽層開槽對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。針對(duì)開槽的籠型屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行開槽參數(shù)優(yōu)化計(jì)算，得到轉(zhuǎn)子渦流損耗最低時(shí)籠型屏蔽結(jié)構(gòu)的參數(shù)。最后采用C型鐵心實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)渦流損耗的影響。

1 屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子損耗的影響

1.1 單層護(hù)套屏蔽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子渦流損耗分布

表貼式高速永磁電機(jī)通過添加護(hù)套結(jié)構(gòu)保證永磁體的機(jī)械性能，不同電導(dǎo)率的護(hù)套對(duì)轉(zhuǎn)子的渦流損耗也起到屏蔽作用。

以一臺(tái)40 kW電機(jī)為例分析各類屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響，樣機(jī)主要參數(shù)見表1。為了提高計(jì)算精度，對(duì)永磁體和護(hù)套的外徑處進(jìn)行多層剖分以考慮各次諧波的趨膚深度影響，有限元模型如圖1所示。

表1 電機(jī)的主要參數(shù)

圖1 有限元模型和網(wǎng)格劃分

分別對(duì)帶有碳纖維護(hù)套和鈦合金護(hù)套的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗進(jìn)行分析。在不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子渦流損耗分布如圖2所示。

圖2 不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子渦流損耗分布

從損耗分布圖可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速為15000 r/min、碳纖維作為轉(zhuǎn)子護(hù)套時(shí)，渦流損耗主要集中在永磁體上，占轉(zhuǎn)子總損耗的92.3%；鈦合金作為轉(zhuǎn)子護(hù)套時(shí)，護(hù)套上渦流損耗占轉(zhuǎn)子總損耗的68.2%。當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到30000 r/min時(shí)，鈦合金護(hù)套上的渦流損耗顯著增大，永磁體上的渦流損耗占轉(zhuǎn)子總損耗的23%。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，電導(dǎo)率較高的金屬護(hù)套對(duì)高次諧波在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的渦流損耗具有屏蔽作用，在轉(zhuǎn)速為15000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子總損耗與碳纖維護(hù)套轉(zhuǎn)子損耗相比降低了12.3%。在轉(zhuǎn)速增大到30000 r/min時(shí)，由于金屬護(hù)套電導(dǎo)率高，護(hù)套損耗占比較高且迅速增大，遠(yuǎn)大于碳纖維作為護(hù)套時(shí)永磁體損耗增加量。導(dǎo)致轉(zhuǎn)子總損耗與碳纖維護(hù)套相比增大了31.2%。由此可知，高電導(dǎo)率材料可有效地抑制轉(zhuǎn)子的渦流損耗，但參數(shù)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗非但沒有抑制作用，反而會(huì)使其顯著增大。

1.2 屏蔽層結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響

圖3 不同屏蔽結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步減小高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗，分別對(duì)內(nèi)外屏蔽結(jié)構(gòu)以抑制高次諧波在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的損耗。結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。其中屏蔽層材料采用銅(電導(dǎo)率為5800000 S/m)和鋁(電導(dǎo)率為3300000 S/m)。在轉(zhuǎn)速為30000 r/min時(shí)，轉(zhuǎn)子渦流損耗分布如圖4所示，不同屏蔽材料損耗變化如圖5所示。

圖4 不同屏蔽結(jié)構(gòu)損耗分布

圖5 不同屏蔽層材料對(duì)損耗的影響

從計(jì)算結(jié)果可以看出，采用屏蔽層結(jié)構(gòu)能有效地抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗。碳纖維為護(hù)套、銅為屏蔽層材料時(shí)，采用內(nèi)屏蔽層結(jié)構(gòu)，使永磁體上的渦流損耗下降了77%，護(hù)套損耗變化較小，轉(zhuǎn)子總損耗降低了17.6%。采用外屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí)，由于屏蔽層上的損耗增大導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損耗與內(nèi)屏蔽層損耗相比上升6.9%。采用鋁屏蔽層材料時(shí)，轉(zhuǎn)子總損耗降低了6.5%。因此，在選用屏蔽層材料時(shí)，高電導(dǎo)率材料對(duì)高次諧波的抑制作用更為明顯。

當(dāng)鈦合金為護(hù)套，銅為屏蔽層材料時(shí)，采用內(nèi)屏蔽層結(jié)構(gòu)，護(hù)套和永磁體渦流損耗變化較小，降低了約5.9%，而屏蔽層上產(chǎn)生了額外的損耗，是轉(zhuǎn)子總損耗增大了5.6%。采用外屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí)，護(hù)套損耗降低了31.5%，但外屏蔽結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了大量的渦流損耗。轉(zhuǎn)子總損耗降低了9.2%。采用鋁屏蔽層時(shí)，轉(zhuǎn)子總的渦流損耗基本保持不變。由此可以看出，內(nèi)屏蔽層結(jié)構(gòu)對(duì)帶有金屬護(hù)套的電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗難以起到屏蔽作用，且會(huì)使轉(zhuǎn)子損耗增大。外屏蔽層結(jié)構(gòu)對(duì)帶有金屬護(hù)套的電機(jī)可起到屏蔽作用，但由于外屏蔽結(jié)構(gòu)需采用鍍層結(jié)構(gòu)，最外層的屏蔽層結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生大量額外的渦流損耗。因此外屏蔽層結(jié)構(gòu)更實(shí)用于高電導(dǎo)率的金屬護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，內(nèi)屏蔽層結(jié)構(gòu)更適用于碳纖維等低電導(dǎo)率護(hù)套結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子。

2 內(nèi)屏蔽層周向分段對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響

為了解決帶有金屬護(hù)套的永磁電機(jī)采用內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子總損耗增大的問題，通過采用內(nèi)屏蔽層分段的方法，增強(qiáng)屏蔽層結(jié)構(gòu)渦流反作用進(jìn)一步抑制金屬護(hù)套的損耗，周向分段結(jié)構(gòu)如圖6所示。分段后轉(zhuǎn)子渦流損耗分布如圖7所示。

圖6 屏蔽層分段結(jié)構(gòu)

圖7 屏蔽層分段后渦流和損耗分布

屏蔽層分段后，屏蔽層上的渦流回路增加，但由于屏蔽層電阻率極低，當(dāng)屏蔽層上損耗增加量小于由于渦流反作用導(dǎo)致護(hù)套損耗的減小量時(shí)，轉(zhuǎn)子總損耗即會(huì)降低。由計(jì)算結(jié)果可以看出，屏蔽層上損耗增大了73%，金屬護(hù)套的損耗減小了23.3%。但由于屏蔽層上的損耗占比較小，轉(zhuǎn)子總損耗降低了10.3%。接下來(lái)對(duì)屏蔽層分段數(shù)量進(jìn)行分析。不同分段數(shù)量對(duì)轉(zhuǎn)子損耗的影響如圖8所示。

由圖8可以看出，屏蔽層分段過多時(shí)，屏蔽層渦流回路增多，導(dǎo)致屏蔽層上的損耗迅速增大，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子渦流損耗增大明顯。在分段數(shù)量為12段，即在每塊永磁體所對(duì)應(yīng)的屏蔽層區(qū)域分為3段時(shí)，轉(zhuǎn)子總損耗達(dá)到最小。

圖8 屏蔽層分段對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響

3 屏蔽層結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

轉(zhuǎn)子渦流損耗采用實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)量較為困難，采用C型鐵心測(cè)試方法可以直接測(cè)出高頻電流對(duì)渦流損耗的影響[18]。本文對(duì)帶有護(hù)套和屏蔽結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行渦流損耗測(cè)量，以驗(yàn)證屏蔽層對(duì)高次諧波在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流損耗的抑制效果。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。

通過WT230分別在放置不同樣品時(shí)進(jìn)行損耗測(cè)試，采用測(cè)試線圈測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)得到氣隙磁密。

在保持氣隙磁密度不變，頻率為1000 Hz的情況下，可以分別得到放置樣品和不放置樣品時(shí)C型鐵心的輸入功率。測(cè)試功率和電流分別為P1、P2、I1、I2。則樣本Ps的渦流損耗為：

(1)

通過該平臺(tái)得到不同屏蔽層材料和不同護(hù)套材料時(shí)轉(zhuǎn)子渦流損耗的大小如圖10所示。以鈦合金為護(hù)套時(shí)，被測(cè)樣品渦流損耗隨屏蔽層分段數(shù)量變化如圖11所示。

圖10 屏蔽層結(jié)構(gòu)對(duì)樣品渦流損耗的影響

圖11 屏蔽層分段對(duì)渦流損耗的影響

由實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，屏蔽層結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制高次電流諧波產(chǎn)生的渦流損耗，將屏蔽層分段后，在采用低電導(dǎo)率的碳纖維護(hù)套時(shí)，銅材料內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)下樣品總損耗相比于無(wú)屏蔽層時(shí)損耗降低18.9%。高電導(dǎo)率的銅屏蔽層與鋁屏蔽層相比損耗降低8.8%。采用高電導(dǎo)率的合金護(hù)套，樣品渦流損耗隨內(nèi)屏蔽層分段數(shù)量損耗先減小后增大，當(dāng)屏蔽層分為3段時(shí)相比于無(wú)屏蔽層降低了17.2%，驗(yàn)證了屏蔽層對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的抑制作用。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)不同屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行適用性研究，并提出一種內(nèi)屏蔽層分段的方法。通過在不同護(hù)套時(shí)對(duì)內(nèi)外屏蔽層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子渦流損耗計(jì)算可以看出，內(nèi)屏蔽層結(jié)構(gòu)適用于帶有低電導(dǎo)率護(hù)套的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，而外屏蔽層結(jié)構(gòu)適用于帶有高電導(dǎo)率護(hù)套的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。此外屏蔽層電導(dǎo)率越高，屏蔽效果越明顯，在設(shè)計(jì)屏蔽層材料時(shí)，需選擇高電導(dǎo)率材料作為轉(zhuǎn)子的屏蔽結(jié)構(gòu)。

通過將內(nèi)屏蔽層進(jìn)行周向分段，增加了屏蔽層上渦流回路的數(shù)量，屏蔽層上的渦流反作用更為明顯，進(jìn)一步抑制了護(hù)套上的損耗，在高電導(dǎo)率材料作為護(hù)套時(shí)，同樣可以對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗起到屏蔽作用，增強(qiáng)了屏蔽層的適用性。但分段數(shù)量過多時(shí)會(huì)增大屏蔽層損耗，使轉(zhuǎn)子總損耗增加，在每塊永磁體對(duì)應(yīng)的屏蔽層區(qū)域分成3段時(shí)，轉(zhuǎn)子損耗最小。