新型永磁屏蔽電機(jī)性能研究

倪有源，陳俊華，何 強(qiáng)

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥230009;2.工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制省級(jí)協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥230601)

0 引 言

屏蔽電機(jī)與泵共同組成屏蔽電泵。用于管道的屏蔽電泵具有噪聲低、安全無泄漏、體積小以及壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，可用于供熱系統(tǒng)、熱水循環(huán)和冷卻系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)中液體的循環(huán)、鍋爐太陽(yáng)能供水等場(chǎng)合。

屏蔽電機(jī)結(jié)構(gòu)特殊，其定轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)與普通電機(jī)完全相同，但在定轉(zhuǎn)子氣隙中分別加入了定子屏蔽套和轉(zhuǎn)子屏蔽套。屏蔽套在電機(jī)運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生渦流損耗［1-4］。此外，屏蔽套的使用，實(shí)際上增加了氣隙長(zhǎng)度，這在一定程度上降低了電機(jī)的功率因數(shù)和效率。而屏蔽電機(jī)的性能決定了屏蔽電泵系統(tǒng)的能效等級(jí)，且隨著該類電機(jī)國(guó)家能效標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高和實(shí)施，因此研究屏蔽電機(jī)的性能對(duì)屏蔽電泵系統(tǒng)具有重要意義。

最早應(yīng)用的屏蔽電機(jī)為感應(yīng)屏蔽電機(jī)［5-8］，主要缺點(diǎn)是效率很低。永磁屏蔽電機(jī)是未來的發(fā)展方向，一般采用有轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)［9-10］，但是其效率還有提高的空間。因此可對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并選擇合適的永磁材料，研制效率較高的永磁屏蔽電機(jī)。

本文采用二維瞬態(tài)有限元方法，分析比較了有轉(zhuǎn)子鐵心永磁屏蔽電機(jī)和無轉(zhuǎn)子鐵心永磁屏蔽電機(jī)的性能。兩種電機(jī)都為6 槽4 極，定子完全相同，且輸出功率也相同。計(jì)算結(jié)果表明，無轉(zhuǎn)子鐵心永磁屏蔽電機(jī)不僅結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、成本更低，而且性能優(yōu)于有轉(zhuǎn)子鐵心永磁屏蔽電機(jī)。

1 新型永磁屏蔽電機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.1 有轉(zhuǎn)子鐵心永磁屏蔽電機(jī)的結(jié)構(gòu)

永磁屏蔽電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)如圖1 所示，共有6槽。定子采用極靴結(jié)構(gòu)，可以有效減小漏磁。定子鐵心采用牌號(hào)為50W470 的硅鋼片疊裝而成。

圖1 永磁屏蔽電機(jī)定子結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，轉(zhuǎn)子有鐵心。轉(zhuǎn)子鐵心也采用50W470 的硅鋼片。考慮到工作溫度和生產(chǎn)成本等因素，選擇鐵氧體作為永磁屏蔽電機(jī)的磁體，有鐵心轉(zhuǎn)子采用牌號(hào)為Y35 的鐵氧體，共有4 極。由于屏蔽電機(jī)工作的環(huán)境中會(huì)遇到含有泥沙之類的堅(jiān)硬固體粒子，所以轉(zhuǎn)軸采用氧化鋁陶瓷材料，具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、成本低以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。但是這種結(jié)構(gòu)中，永磁體放置在轉(zhuǎn)子鐵心上，不僅會(huì)降低轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的牢固性，限制電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速，而且會(huì)增加制造難度。因此有必要對(duì)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

1.2 無轉(zhuǎn)子鐵心永磁屏蔽電機(jī)的結(jié)構(gòu)

無轉(zhuǎn)子鐵心永磁屏蔽電機(jī)與有轉(zhuǎn)子鐵心永磁屏蔽電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)完全一樣，如圖1 所示。轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)為無鐵心，如圖2(b)所示。永磁選擇牌號(hào)為Y30的鐵氧體，為N 極和S 極交替分布，極數(shù)同樣為4極，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，便于生產(chǎn)制造。

圖2 永磁屏蔽電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

此外，定子內(nèi)層、轉(zhuǎn)子外層均套有一層屏蔽套。定轉(zhuǎn)子屏蔽套都采用非磁性、耐腐蝕、高電阻的材料，為此選用304 不銹鋼，即我國(guó)不銹鋼牌號(hào)06Cr19Ni10，電阻率為0.73 ×10-6Ω·m，密度為7.93 ×103kg/m3。

2 永磁屏蔽電機(jī)的損耗與效率

2.1 屏蔽套的渦流損耗

永磁屏蔽電機(jī)屬于永磁電機(jī)，二者運(yùn)行特點(diǎn)類似，但是由電磁感應(yīng)原理，非導(dǎo)磁材料的屏蔽套會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，從而降低電機(jī)的效率。這部分損耗可以用傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式法和有限元法來計(jì)算。

2.1.1 經(jīng)驗(yàn)公式法

定子屏蔽套渦流損耗常用的計(jì)算公式［2］:

式中:k1為鐵心長(zhǎng)度對(duì)極距的比值相關(guān)的系數(shù)，一般取0.8 ～0.9;kp為與極數(shù)相關(guān)的系數(shù);Bm為氣隙磁密幅值;ω1為同步角速度;δ1為定子屏蔽套厚度;L1為定子鐵心長(zhǎng)度;Di1為定子內(nèi)徑;ρ 為屏蔽套的電阻率。

電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子屏蔽套中產(chǎn)生的損耗主要是脈振損耗。

由于經(jīng)驗(yàn)公式法不能精確計(jì)算鐵心飽和程度與渦流損耗，并且對(duì)于不同的屏蔽電機(jī)，其修正系數(shù)并不相同，因此會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。

2.1.2 二維瞬態(tài)有限元分析法

二維瞬態(tài)有限元法通過結(jié)合電磁方程與機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程，可以得出電機(jī)內(nèi)部磁場(chǎng)與渦流的實(shí)際分布情況，從而精確計(jì)算屏蔽套的渦流損耗。

將電磁方程和機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程聯(lián)立求解，可以通過有限元瞬態(tài)場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)，偏微分方程:

式中:A 為磁矢位;Js為電流密度;v 為物體的運(yùn)動(dòng)速度;σ 為介質(zhì)電導(dǎo)率。

采用磁場(chǎng)計(jì)算時(shí)，在獲得電機(jī)磁場(chǎng)分布和渦流分布的情況下，屏蔽套渦流損耗:

式中:Ji為單元渦流密度;Δili為單元體積;σ 為屏蔽材料電導(dǎo)率;Ne為剖分單元總數(shù)。

2.2 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的水摩擦損耗

屏蔽電機(jī)的轉(zhuǎn)子是運(yùn)行在水中的，旋轉(zhuǎn)過程中必然會(huì)產(chǎn)生水摩擦損耗，這部分損耗:

式中:k2為與介質(zhì)的粘度、重度有關(guān)的系數(shù)，水一般取1.15;D2為轉(zhuǎn)子外徑;L2為轉(zhuǎn)子屏蔽套長(zhǎng)度。

2.3 永磁屏蔽電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和效率

永磁屏蔽電機(jī)的轉(zhuǎn)矩平衡方程:

式中:Te為電磁轉(zhuǎn)矩;TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，是隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而逐漸升高，最終達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩并穩(wěn)定運(yùn)行，故可以用TL=Kn2表示;K 為比例常數(shù);D 為旋轉(zhuǎn)阻尼系數(shù)，是與水摩擦損耗有關(guān)的系數(shù);J 為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ω 為轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度。

永磁屏蔽電機(jī)能量轉(zhuǎn)換過程與一般的電動(dòng)機(jī)相同。其輸入的電功率:

式中:U1為相電壓;I1為相電流;cosθ 為功率因數(shù)。

電機(jī)在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生各種損耗，包括定子繞組銅耗pCu、定轉(zhuǎn)子鐵耗pFe、定子屏蔽套損耗pB1、轉(zhuǎn)子屏蔽套損耗pB2以及水摩擦損耗pfw等。扣除這些損耗之后，就是電機(jī)的輸出機(jī)械功率P2，P2=TLω。功率平衡關(guān)系:

因此，永磁屏蔽電機(jī)的效率:

式中:∑p 為總損耗。

3 新型永磁屏蔽電機(jī)的性能分析

兩種永磁屏蔽電機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 和表2 所示。其中表1 為相同的定子結(jié)構(gòu)參數(shù)，表2 為不同轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 永磁屏蔽電機(jī)的定子結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 永磁屏蔽電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)參數(shù)

在有限元軟件Maxwell 2D 中建立電機(jī)模型，運(yùn)用二維瞬態(tài)有限元方法進(jìn)行計(jì)算。

3.1 兩種結(jié)構(gòu)電機(jī)氣隙磁密分析

對(duì)兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行相同條件下的磁場(chǎng)分析，得到磁密矢量分布如圖3 所示。電機(jī)主磁路主要由轉(zhuǎn)子磁極、氣隙、定子軛以及定子齒等組成。由圖3可知，由永磁體產(chǎn)生的勵(lì)磁從永磁體N 極出發(fā)，經(jīng)過氣隙，通過定子極靴流進(jìn)定子齒，然后到達(dá)定子軛，并通過定子軛到達(dá)相鄰的定子齒，再經(jīng)過氣隙到達(dá)永磁體S 極，最后回到永磁體N 極，從而形成一個(gè)閉合回路。

圖3 兩種轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的磁密矢量分布圖

兩種電機(jī)一個(gè)周期內(nèi)的氣隙磁密波形如圖4 所示。對(duì)氣隙磁密波形進(jìn)行FFT 分析，得到基波和各次諧波頻譜如圖5 所示。氣隙磁密的基波幅值和THD如表3 所示。可以看出，圖3(b)結(jié)構(gòu)的氣隙磁密基波幅值比圖3(a)結(jié)構(gòu)的大，且圖3(b)結(jié)構(gòu)的THD比圖3(a)結(jié)構(gòu)小。顯然無轉(zhuǎn)子鐵心電機(jī)性能更好。

表3 氣隙磁密的基波幅值和THD

3.2 永磁屏蔽電機(jī)性能參數(shù)

采用二維瞬態(tài)有限元法計(jì)算得到的定子屏蔽套損耗為1.445 W。將電機(jī)各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入式(1)，可得到經(jīng)驗(yàn)公式法計(jì)算值為1.186 W。顯然兩者相差較大，通過分析可知，經(jīng)驗(yàn)公式法有相當(dāng)大的誤差，所以選擇有限元法計(jì)算的數(shù)值作為最后結(jié)果。

經(jīng)過計(jì)算，額定負(fù)載時(shí)，新型永磁屏蔽電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖6 所示。

圖6 新型永磁屏蔽電機(jī)的性能參數(shù)

并計(jì)算得到兩種電機(jī)的性能參數(shù)，如表4 所示。

表4 兩種永磁屏蔽電機(jī)的性能參數(shù)比較

由表4 可以看出，額定功率相同的兩種電機(jī)運(yùn)行在額定頻率、額定負(fù)載下，無鐵心轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)的永磁屏蔽電機(jī)比有轉(zhuǎn)子鐵心的永磁屏蔽電機(jī)總損耗少，效率高，性能得以提高。

4 結(jié) 語(yǔ)

為貫徹落實(shí)“十二五”節(jié)能減排規(guī)劃和工業(yè)節(jié)能”十二五”規(guī)劃，電機(jī)能效標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)逐步提高。因此，提高屏蔽電機(jī)的效率具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文在分析和研究傳統(tǒng)的有轉(zhuǎn)子鐵心永磁屏蔽電機(jī)的基礎(chǔ)上，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。改進(jìn)后的轉(zhuǎn)子無鐵心，永磁極弧系數(shù)為1，且成本更低，結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，便于生產(chǎn)制造。采用二維瞬態(tài)有限元方法計(jì)算了兩種結(jié)構(gòu)永磁屏蔽電機(jī)的性能參數(shù)。結(jié)果表明:無轉(zhuǎn)子鐵心永磁屏蔽電機(jī)性能優(yōu)于有轉(zhuǎn)子鐵心永磁屏蔽電機(jī)。本文為永磁屏蔽電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了一定的理論參考。

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