高速永磁同步電機設計及損耗溫度場分析

2020-11-24 07:45:54黃聰，張僑，楊文

微特電機 2020年11期

黃聰，張僑，楊文

(武漢理工大學自動化學院，武漢 430070)

0 引言

永磁同步電機調速方便，效率高，體積小，適用于高速運轉，因此永磁同步電機在高速領域應用比較廣泛。然而，高速永磁電機在運行過程中和常規電機相比主要有以下特點[1]：高速電機的定子鐵損將遠大于常規電機的定子鐵損，造成電機總損耗增加，效率降低；過高的損耗也使電機發熱嚴重，影響永磁體的性能。由于這些不同于常規電機的特點，使得高速永磁電機在設計時需要選取性能更好的鐵心材料來減小損耗，以及能準確地分析電機的溫度場分布，保證高速永磁電機運行的可靠性。

1 基于非晶合金鐵心的磁路設計

對于電機的磁路而言，一般通過鐵磁材料與氣隙形成。在電機的內部，所有繞組和永磁體將一起建立電機磁場。在電機磁路設計中，主要對電機不同部分的磁通密度B和磁場強度H進行分析，并需要結合鐵心材料的B-H曲線進行計算，從而確定電機槽型的尺寸。圖1為電機定子槽形圖，齒高為hd，槽距為τu，齒寬為bd。

圖1 定子槽形圖

本文設計的是一臺4極、6槽的永磁同步電機，定子的槽距由電機的氣隙周長除以定子槽數得到：

(1)

(2)

如果電機齒部未飽和，在槽距上幾乎所有的磁通均通過齒，在槽上和槽隙絕緣處無磁通流過。忽略槽口影響，考慮鐵心的空間系數kFe，對于管徑均勻的齒，可獲得其橫截面積Sd：

Sd=kFe(l-nυbυ)bd

(3)

式中：nυ，bυ分別為通風道數及管道寬度；l為整個電機疊片的長度。

假定所有磁通在電機的齒部流過，可以得到視在磁通密度：

(4)

(5)

該結果除以齒部鐵心的面積Sd，可以得到齒部鐵心實際的磁通密度：

(6)

(7)

進而，齒部的實際磁通密度:

(8)

因為本文設計的高速永磁同步電機的定子鐵心為非晶合金，則需要研究非晶合金的B，H曲線，如圖2所示，根據B，H曲線并結合式(8)得到兩條曲線的交點，其交點的橫坐標為齒部的磁場強度Hd。

圖2 利用鐵心材料B，H曲線及齒部尺寸確定齒部磁通密度

在定子齒部磁通密度不超過非晶合金飽和磁通密度的前提下，通過計算得到定子齒高hd為8.5mm，槽距為τu為12.3 mm，齒寬為bd為3.25 mm，以及鐵心長度l為39 mm。

2 電機性能分析

2.1 電機磁-熱耦合分析過程

本文采用的是雙向耦合的方式求解電機的損耗和溫升，圖3為具體的流程。首先建立電機模型，由電磁場求解的電機損耗作為溫度場分析的熱源，根據溫度計算的結果對相應參數進行調節，再返回給電磁場進行分析，不斷循環以得到更準確的結果。

圖3 電機磁-熱耦合分析流程圖

2.2 電機建模

本文使用ANSYS仿真軟件對高速永磁同步電機進行建模，電機各項參數如表1所示，根據表1得到電機有限元模型[2]，如圖4所示。

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表1 高速永磁同步電機基本參數

圖4 高速永磁同步電機模型

然后求解該電機的磁通密度云圖，如圖5所示。電機齒部磁通為1.2T左右，最高磁通密度為1.5T,電機軛部磁通為1.3 T左右。而該非晶合金的飽和磁通密度為1.56 T，說明通過磁路設計后，定子槽形的尺寸參數比較合理。

圖5 高速永磁同步電機磁通密度云圖

2.3 電機損耗分析

高速永磁同步電機在高頻運行時，傳統硅鋼片電機的定子鐵損將顯著增加[3]，因此減小損耗并提高效率對高速電機的設計非常重要。本電機定子鐵心材料選取的是鐵基納米晶合金(國標1K101)，具有優越的物理電磁性能[4-5]。表2為非晶合金1K101與0.2 mm高硅鋼20JNEH1200的性能對比。

表2 材料1K101與20JNEH1200性能指標

圖6為1K101與20JNEH1200的磁滯回線。它表示鐵磁材料在外加交變磁場時所產生的磁滯現象，從而造成的損耗[6]。由于1K101的磁滯回歸線的面積相對較小，所以非晶材料電機有更小的磁滯損耗。此外，非晶合金更薄的厚度以及更大的電阻率也能減少電機的渦流損耗[7]。

圖6 兩種定子鐵心材料的B,H曲線

本文在電機相同的結構參數下，僅改變定子鐵心的材料，利用ANSYS軟件對兩種電機進行鐵心損耗和渦流損耗計算。

兩種電機鐵損和渦流損耗曲線分別如圖7，圖8所示，均為電機在額定負載時求解得到的損耗。由圖7非晶電機鐵損平均值為21.57 W，高硅鋼電機鐵損平均值為102.66 W。由此可見，定子采用非晶合金以后鐵損減少了約78%；圖8為兩種電機的渦流損耗曲線，由于本電機采用了0.025 mm非晶材料，其渦流損耗的平均值只有19.71 W，而硅鋼電機采用的是0.2 mm的高硅鋼，其渦流損耗為51.49 W。

(a) 非晶電機

2.4 電機溫度場分析

由于高速永磁同步電機通電頻率較高，使得電機的功率密度提高，電機的損耗密度也在提高，造成電機散熱困難。如果溫升較高，還會使永磁體發生不可逆退磁[8]。此外定子鐵心不同材料對應的鐵損和渦流損耗不相同，從而導致發熱和溫升不一致，鐵心材料的不同位置和不同厚度也對電機的散熱有很大的影響。因此，準確的溫升計算對高速永磁同步電機的穩定運行非常重要。

本文采用ANSYS workbench的Transient Thermal模塊進行溫度場的分析，該模塊能與Maxwell 2D模塊相互耦合，能提取Maxwell 2D中電機模型的各種損耗作為熱載荷，進行求解[9]，并且這兩個模塊之間的數據是可以相互交換與更新，這樣能得到更準確的結果。磁-熱分析的耦合框架如圖9所示。