一種功率型無鐵芯AFPM電機繞組渦流損耗抑制方法

王小雷

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一種功率型無鐵芯AFPM電機繞組渦流損耗抑制方法

王小雷

(中國船舶重工集團公司 第705研究所昆明分部, 云南 昆明, 650118)

用于水下航行體推進裝置的功率型無鐵芯永磁盤式(AFPM)電機定子繞組由于直接暴露在交變磁場中, 會產生很大的渦流損耗, 從而影響電機性能。本文推導了2種截面導體在交變磁場中的渦流損耗計算公式, 提出了使用股間絕緣細絞合線代替原有扁平矩形導線來減少渦流損耗, 建立了等效直線電機2D有限元模型, 分析計算了繞組渦流損耗, 同時通過11 kW原理樣機損耗試驗, 驗證了相關理論與計算方法的可行性和準確性。

水下航行體; 永磁盤式電機; 功率型; 繞組; 渦流損耗

0 引言

盤式電機是一種氣隙為平面、磁場方向為軸向的電機, 其軸向尺寸較短, 適合薄型安裝, 且可通過軸向級聯增加功率。由于盤式電機的結構與傳統徑向磁場電機有著很大的不同, 易于制成無鐵芯結構, 這使得盤式電機具備無定子鐵芯損耗與轉矩脈動、輸出轉矩平穩、噪聲較小、效率高等特點[1]。隨著永磁材料的發展, 目前我國已有多種型號無鐵芯永磁盤式(axial flux permanent magnet, AFPM)電機研制成功的報道。但這類電機大多為小功率型(數瓦～數百瓦), 應用領域主要集中在伺服和控制技術方面。而適用于水下航行體推進裝置用的功率型無鐵芯AFPM電機仍處于試制階段, 限于技術的原因, 如定子繞組渦流損耗較大等, 該類電機的工程化進展較為緩慢。目前專門研究永磁盤式電機定子繞組渦流損耗的相關文獻較少, 文獻[2]和[3]針對AFPM電機的渦流損耗進行了分析研究, 文獻[4]和[5]提出了在無鐵芯AFPM電機中的定子繞組渦流損耗的計算公式。

本文針對適用于水下航行體推進裝置用的功率型無鐵芯AFPM電機定子繞組渦流損耗進行了研究, 針對扁平矩形銅導線構成的電樞繞組高頻渦流損耗較大的現象, 提出了一種改進措施及抑制渦流損耗的方法, 即使用一種股間絕緣絞合線繞制定子繞組, 并對其渦流損耗進行了仿真計算與試驗驗證。

1 定子繞組渦流損耗模型

無鐵芯AFPM電機的定子繞組不存在鐵芯, 減少了鐵芯損耗, 但是定子繞組卻直接暴露在氣隙磁場中, 當定子繞組導體截面較大且通過磁極相對繞組移動產生的交變磁場時, 導體內部便產生渦流, 形成渦流損耗, 可導致電機效率降低, 繞組溫升較大, 隨著交變磁場頻率的升高, 繞組溫升情況愈加嚴重。

1.1 導體在交變磁場中的渦流損耗模型

下面針對常用的導線圓形截面和矩形截面(見圖1), 推導渦流損耗計算公式。圖1(a)所示為圓形導體截面示意圖, 其中軸為電機軸向,軸為切向, 在軸方向有交變的氣隙磁密, 則在-<<的范圍內有

圖1 圓形與矩形截面導體渦流損耗模型

由于AFPM電機的氣隙磁密由軸向和切向分量組成, 且每個分量均可以表示成奇次諧波的傅立葉級數和形式, 則當圓形截面導線的徑向計算長度為時的渦流損耗可表示為

同理, 矩形截面(圖1b)導體渦流損耗為

式中:為矩形導體截面的切向寬度;為矩形導體截面的軸向長度。

1.2 無鐵芯AFPM電機多股絞合線渦流損耗模型

基于以上分析, 本文提出使用多股細絕緣漆包線互相纏繞編織而成的絞合線(又稱利茲線)來繞制功率型無鐵芯AFPM電機的電樞繞組, 如圖2所示為采用扁平矩形導線的元件截面, 圖3為使用股間絕緣絞合線來繞制的元件截面, 其中每根絞合線由55股絕緣漆包線繞制而成, 絞合線單股的截面只有原矩形截面的數百分之一, 以上2種元件總截面面積相同, 但股間絕緣絞合線元件槽滿率略小。

圖2 原有扁平矩形導線繞制的元件截面(10匝)

圖3 股間絕緣絞合線繞制的元件截面

為了計算定子繞組的渦流損耗, 本文做以下假設:

1) 假設電機的拓撲為雙永磁轉子盤內夾無鐵芯電樞繞組定子盤形式;

2) 忽略絞合線每股間的空間變化, 即假設股間平行分布[6-7];

3) 單根絞合線的直徑較小, 其截面上的氣隙磁密近似相同, 故可通過求每一股渦流損耗, 再求和得到單根絞合線的渦流損耗;

4) 忽略電機端部的影響, 即只在有氣隙主磁場的電樞計算長度上產生渦流損耗。

圖4 繞組渦流損耗2D模型

依據式(3), 在每一段上單股絕緣漆包線的渦流損耗可表示為

其中,為每段等效直線電機的寬度, 即每段等效直線電機的導線計算長度為

由于單根股間絕緣絞合線橫截面尺寸較小, 在該界面上的氣隙磁密可認為相同, 則單根股間絕緣絞合線的渦流損耗為

無鐵芯AFPM電機的定子相當于氣隙, 而定子區域不同軸向位置的磁通密度的諧波含量和幅值不盡相同, 故而可將定子繞組按照軸向分成層, 假設每一層上的導體數目為, 則第段上的渦流損耗為

依據式(9)得出每段的渦流損耗后, 再將其求和, 便可得出該1/8模型的繞組渦流損耗, 即

2 有限元仿真計算

為了計算使用絞合線后的繞組渦流損耗, 本文使用法國Cedrat公司的Flux有限元軟件對一型已完成設計的11 kW功率型無鐵芯AFPM電機的等效直線電機2D模型進行仿真計算。

表1 功率型無鐵芯AFPM電機主要參數

如圖5, 為第段等效直線電機的2D有限元模型。通過仿真計算得出每一段等效直線電機的2D有限元模型氣隙中不同層氣隙磁密的軸向和切向分量, 再將其進行傅立葉分解, 得出磁密畸變系數, 通過計算每一層的渦流損耗, 得到每一段等效直線電機的繞組渦流損耗。

圖5 第k段等效直線電機的2D有限元模型

本文在有限元仿真過程中, 將分段數取到10段, 既減少了計算時間, 又確保了結果的精確性。圖6為第2, 4, 6, 8段第4層的氣隙磁密軸向分量, 由圖6可以看出, 無鐵芯AFPM電機不同段處的氣隙磁密軸向分量基本相同, 波形峰值為0.61 T, 這是由于采用了扇形磁極后, 在不同段處的極弧系數為恒定值。圖7為第4段的不同層的氣隙磁密切向分量, 可以看出, 在不同層的切向分量差異較大, 當將分層數取到7時, 第4層(氣隙對稱面)氣隙磁密的切向分量基本為零, 且各層切向分量以第4層為中心線成對稱分布, 在電角度為0°和±180°時, 氣息磁密切向分量達到峰值, 為0.39 T。

圖6 不同段處第4層氣隙磁密軸向分量

圖7 第4段不同層處氣隙磁密切向分量

圖8為第2, 4, 6, 8段第4層氣隙磁密軸向分量的各次諧波幅值, 圖9為第4段氣隙磁密切向分量的各次諧波幅值, 由于第4層的切向分量為零, 所以從圖9可以看出, 切向分量的第4層各次諧波幅值也為零。因為到第7次諧波時, 軸向分量和切向分量的各次諧波幅值已經很小, 所以計算氣隙磁密畸變系數時, 數據采用到第7次諧波即可。

本文采用的股間絕緣絞合線單股直徑為0.13 mm,將上述有限元分析結果代入式(10), 然后推廣到無鐵芯AFPM電機全模型中, 即可計算出整機的定子繞組渦流損耗。

圖8 不同段處第4層氣隙磁密軸向分量各次諧波幅值

圖9 第4段不同層氣隙磁密切向分量各次諧波幅值

圖10為采用單股截面較大的扁平矩形導線繞制的11 kW盤式電機無鐵芯定子繞組的渦流損耗試驗測量值與理論計算值曲線, 由圖可以看出, 在額定轉速1 800 r/min時, 理論計算值為2 224 W。

圖10 扁平矩形導線繞組渦流損耗

圖11為用單股截面很小的股間絕緣絞合線改進后繞制的11 kW盤式電機無鐵芯定子繞組的渦流損耗的理論計算和實際測量值, 通過理論曲線可以看出, 定子繞組渦流損耗也是隨著轉速的增加而上升的, 但達到額定轉速1 800 r/min時渦流損耗值僅為18.7 W。理論計算的比較可以表明, 使用股間絕緣絞合線較原有扁平矩形導線可使11 kW無鐵芯AFPM電機的定子繞組渦流損耗大幅度減少。

圖11 絞合線繞組渦流損耗

3 原理樣機驗證

為了驗證本文對無鐵芯AFPM電機損耗計算的準確性、可行性, 制造了以股間絕緣絞合線(利茲線)為繞組的無鐵芯AFPM電機原理樣機, 該原理樣機在結構上為雙永磁轉子盤內夾無鐵芯電樞繞組定子盤拓撲形式。對該電機進行損耗測試: 首先, 制作一個和定子盤結構相同, 但沒有電樞繞組的環氧樹脂模型盤, 為了使渦流損耗測量精確, 該模型盤的內外徑、表面處理以及質量等特性應和實際定子盤相同; 其次, 將安裝有該模型盤的無鐵芯AFPM電機用一臺直流原動機拖動運轉, 在不同轉速下, 測量原動機的輸入電壓、電流并計算電功率; 再次, 將安裝有股間絕緣絞合線(利茲線)導線電樞繞組(扁平矩形導線段數繞組)的無鐵芯AFPM電機在原動機對應轉速下拖動, 繞組為連接開路狀態, 再測量直流原動機的輸入電壓和電流并計算電功率, 兩者的功率差值即為電樞繞組的渦流損耗。

在上述測量方案中, 假設2種情況下無鐵芯AFPM電機的附加損耗和機械損耗基本相同。

由圖10和圖11可以看出, 試驗測量的不同轉速下渦流損耗曲線與理論計算值基本吻合, 渦流損耗隨著電機轉速升高而增大。由圖10可以看出, 在額定轉速1 800 r/min時, 原扁平矩形導線繞組實際渦流損耗值為2 503 W, 與理論計算比較, 誤差為11%。由圖11可以看出, 在額定轉速1 800 r/min時, 股間絕緣絞合線繞組渦流損耗試驗測試值為24 W, 與理論計算比較, 誤差為17.6%。經過分析可以得出, 理論計算與實際測量值誤差主要是由于仿真計算渦流損耗時, 忽略了繞組端部的渦流損耗所致, 但由于端部氣隙磁密較小, 所以誤差不大。股間絕緣絞合線繞組較扁平矩形導線繞組渦流損耗理論計算誤差大, 是由于相對于額定功率, 股間絕緣絞合線繞組渦流損耗值較小, 損耗測試時受機械損耗等其他損耗干擾較大, 渦流損耗試驗測量值存在一定誤差所致。綜合以上分析, 使用股間絕緣絞合線繞制功率型無鐵芯AFPM電機定子繞組可以有效抑制電機繞組渦流損耗。通過試驗還表明, 利用盤式電機的等效直線電機2D有限元模型計算繞組渦流損耗的方法可行, 且精度較高。

在實際制造過程中, 由于股間絕緣絞合線較軟, 繞制繞組元件難以成型和定型, 需要在材料上采用熱風自粘股間絕緣絞合線, 同時在工藝上采用必要的定型、定位和黏合措施, 才能制造出符合工程應用需要的無鐵芯電樞繞組盤。

4 結束語

無鐵芯AFPM電機相對于傳統徑向磁場電機, 有著優良的特性, 是水下航行體推進裝置的應用技術方向之一, 但是功率型無鐵芯AFPM電機的定子繞組渦流損耗是一個不可回避的問題, 只有在解決了這一問題后, 盤式電機的高效率特點才能凸顯出來以滿足工程應用的需要。本文針對功率型無鐵芯AFPM電機的定子繞組渦流損耗進行分析, 推導了圓形截面和矩形截面的導體渦流損耗計算公式, 提出了使用股間絕緣絞合線繞制電樞繞組來抑制渦流損耗的方法, 建立了電機模型進行渦流損耗有限元仿真計算, 最后通過熱風自粘絞合線成功制成原理樣機的定子繞組, 試驗驗證了該方法可以有效抑制功率型無鐵芯AFPM電機的定子繞組渦流損耗。

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A Winding Eddy Current Loss Suppression Method for Power-type Axial Flux Permanent Magnet Machine with Coreless-stator

WANG Xiao-lei

(Kunming Branch of the 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Kunming 650118, China)

The power-type axial flux permanent magnet(AFPM) brushless machine without stator cores is used for propelling device of underwater vehicle. However, high eddy current loss is induced in its stator windings because the windings are directly exposed to the time-varying air gap magnetic field, which influences the performance of the machine. In this paper, the eddy current loss calculating formulas for two winding conductor sizes are deduced, and a solution to reduce the eddy current loss in coreless-stator windings is proposed by substituting thin inter-twist wire for the flat conductor with rectangular cross-section. A two-dimensional finite element model of equivalent linear motor is constructed to analyze and calculate the eddy current loss. Eddy current test of a 11 kW AFPM machine with coreless-stator verifies the validity and feasibility of the proposed theory and method．

underwater vehicle; axial flux permanent magnet(AFPM) motor; power-type; winding; eddy current loss

TJ631.2; TM351

A

1673-1948(2012)04-0295-06

2012-02-16;

2012-03-29.

王小雷(1986-), 男, 在讀碩士, 研究方向為魚雷電動力技術.

(責任編輯: 陳 曦)