永磁機開口槽和線規設計對永磁體失磁的影響分析

岳衛東 周順超

（法蘭泰克重工股份有限公司，江蘇 蘇州215200）

0 引言

隨著新型永磁材料的大力發展，永磁電機性能不斷得到提高，其應用也越來越廣泛。永磁材料多種多樣，性能差別很大，因此在規定的環境條件、工作溫度和使用條件下應能保證磁性能的穩定性，防止局部溫度過高導致失磁。

民用工業領域廣泛采用釹鐵硼永磁材料，其熱穩定性差，矯頑力具有負溫度系數等特點。在定子設計不當時，永磁電機鐵芯表面溫度會出現過高現象，使鐵芯表面出現發藍、發黑的區域，鐵芯高溫傳導至永磁體，會使永磁體溫度達到退磁溫度，造成失磁。

因此，及早發現永磁電機失磁隱患，采取保護措施，降低永磁電機維修成本，減小經濟損失，提高系統運行的安全可靠性，是永磁電機領域重要的研究課題。本文從電機線規選取和槽型結構設計角度出發，運用電磁場有限元分析建立內置式永磁電機模型，對大線規導線、電機氣隙磁密以及諧波磁密進行仿真，以研究渦流、環流損耗和氣隙中諧波磁場對轉子表面損耗的影響，并最終解決由此導致的永磁電機失磁問題。

1 永磁電機模型

為研究開口槽對永磁體失磁的影響，本文建立24極27槽集中式繞組內置式永磁同步電機模型，具體參數如下：定子槽數27；定子外徑1400mm，內徑1100mm；定子每槽導體數30；繞組線規30mm×4mm。轉子沖片尺寸和線圈導體排列如圖1所示。

2 采用較大線規繞組對永磁體失磁的影響

圖1 轉子沖片尺寸和線圈導體排列

定子槽開口尺寸為67mm，定子極距為128mm，定子單個槽的槽開口尺寸占極距的52.3%，當轉子磁極與定子槽口對齊時，部分轉子主磁通通過定子槽中路徑進入定子齒部和軛部，因此定子槽中存在一定的交變磁場，如圖2所示。定子槽中繞組線規較大（30mm×4mm），部分定子導線處在交變磁場中，會產生大量的渦流損耗和環流損耗，導致電機空載運行時銅耗大，定子繞組溫升超標，造成永磁體失磁。

圖2 電機空載磁通分布圖

所以，定子繞組需要采用較小線規或者換位編織線繞制，這樣可以降低渦流損耗和環流損耗，大大降低電機溫升，從而避免電機溫度過高，導致永磁體失磁?，F將線規改為560根0.4mm漆包圓銅線。

3 定子沖片采用開口槽對永磁體失磁的影響

當電機采用開口槽結構時，轉子鐵芯表面損耗將很大，導致其表面溫度過高，從而出現發藍、發黑的區域。鐵芯高溫傳導至永磁體，使永磁體溫度達到退磁溫度，即造成失磁。

轉子鐵芯表面損耗主要有2種：（1）空載轉子主磁通在氣隙中的諧波磁場產生的轉子表面損耗；（2）定子繞組磁勢諧波在轉子磁極表面引起的損耗。

3.1 空載轉子表面損耗

電機空載時，氣隙中的諧波磁場可由2種原因造成：（1）電機定子鐵芯開槽導致氣隙磁導不均勻；（2）空載勵磁磁勢空間分布曲線中有諧波存在。

電機定子開槽產生的齒諧波磁場，主要與b0／δ（b0為定子槽口寬，δ為主氣隙值）的比值有關，比值越大，齒諧波磁通密度越大。據查資料，實心轉子的同步機一般b0／δ≤2，對于疊片轉子，該值可適當放寬。本電機的b0／δ為13.4。

齒諧波的諧波次數為：2 mq±1。本電機q＝0.375，則齒諧波的次數為1.25和3.25。

利用Maxwell2D對電機開口槽的空載磁場進行了有限元仿真，對氣隙磁密波形進行了傅里葉分解，得出電機氣隙磁密基波值為0.7546T，1.25次齒諧波磁密值為0.2688T，3.25次齒諧波磁密值為0.316T，齒諧波磁密值相對較大，如圖3所示。而齒諧波在轉子表面產生的損耗與其值的平方成正比。

圖3 電機空載氣隙磁密波形

電機主勵磁磁場由永磁體產生，且電機氣隙為均勻氣隙，空載主勵磁磁場本身存在一定的諧波，仿真得出氣隙磁密3次諧波值為0.1283T，5次諧波值為0.0158T，7次諧波值為0.0586T，如圖4所示。

圖4 空載各次諧波氣隙磁密值

3.2 負載轉子表面損耗

電機負載時，定子繞組磁勢諧波主要為相帶諧波。本電機定子繞組為集中繞組，繞組線圈跨距僅為一個定子齒距，且電機氣隙為均勻氣隙，定子繞組磁勢產生的磁密波形接近方波，磁場諧波含量非常豐富。

對額定電流下定子繞組磁勢產生的氣隙磁密波形進行了仿真，結果表明氣隙磁場諧波含量大，如圖5、圖6所示。這些諧波磁場將在轉子表面產生較大的損耗。

圖5 定子繞組磁場氣隙磁密波形

4 結語

本文從電磁場有限元分析入手，研究開口槽和大線規線圈對永磁電機局部失磁的影響。有限元仿真表明，采用小線規和半閉口槽對降低電機各部位溫升和阻止局部失磁有明顯作用，從而為永磁電機的設計提供了理論參考。

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