大功率高速永磁同步電機(jī)設(shè)計分析

雷艷華，劉廣民

(中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，綿陽 621900)

0 引 言

大功率高速永磁同步電機(jī)技術(shù)是動壓風(fēng)機(jī)項目的核心技術(shù)之一，我國的技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，缺乏規(guī)模化應(yīng)用的成熟技術(shù)或產(chǎn)品。風(fēng)機(jī)用大功率高速永磁同步電機(jī)技術(shù)，不僅在動壓風(fēng)機(jī)項目中需要，而且在航空航天發(fā)電機(jī)及動力控制、高速離心機(jī)、PCB板鉆孔、數(shù)控機(jī)床高速電主軸等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用需求[1]。隨著電機(jī)磁路、控制、軸承、散熱、精密機(jī)械結(jié)構(gòu)、材料等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與功率指標(biāo)不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛[2]。目前，我國在這些領(lǐng)域的需求大部分依賴國外產(chǎn)品，本文介紹的高速電機(jī)設(shè)計，能較大地促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

1 總體設(shè)計過程

電機(jī)設(shè)計以項目設(shè)計要求為目標(biāo)，電機(jī)優(yōu)化設(shè)計的主要過程如圖1所示。

圖1 大功率永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計流程

1)計算電機(jī)的轉(zhuǎn)子直徑和鐵心長度等主要尺寸的初始值；

2)使用ANSYS/RMxprt(磁路法)搭建電機(jī)模型，并對電機(jī)的尺寸進(jìn)行參數(shù)化。在此基礎(chǔ)上，以最小化電機(jī)體積為目標(biāo)，對電機(jī)性能進(jìn)行快速優(yōu)化，得到滿足性能要求的設(shè)計；

3)使用ANSYS/Maxwell建立電機(jī)的參數(shù)化有限元模型，計算電機(jī)的高精度電磁性能和產(chǎn)生的熱量等，并對電機(jī)電磁性能進(jìn)行深度優(yōu)化；

4)使用ANSYS/Mechanical進(jìn)行機(jī)械強(qiáng)度校驗；

5)使用Motor-CAD進(jìn)行冷卻系統(tǒng)設(shè)計和溫升校驗。

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由于篇幅有限，本文僅對尺寸計算、快速仿真優(yōu)化以及后續(xù)的實(shí)驗部分過程進(jìn)行介紹。

2 電機(jī)主要尺寸計算[3]

電機(jī)主要尺寸是指電機(jī)的定子內(nèi)徑和鐵心長度。

電機(jī)的轉(zhuǎn)矩密度由電磁負(fù)荷決定，電磁負(fù)荷包括電流線負(fù)荷A和氣隙磁負(fù)荷B。電磁負(fù)荷越高，轉(zhuǎn)矩密度越高。電機(jī)的功率密度受到允許溫升的限制，而溫升的原因主要為電機(jī)的銅損和鐵損造成的發(fā)熱。電流負(fù)荷和磁負(fù)荷越低，銅損和鐵損越小，溫升越小。因此，電磁負(fù)荷的選擇需要兼顧溫升和轉(zhuǎn)矩密度的要求。

通常情況下，一定功率和速度范圍的電機(jī)，A和B的值變化不大。因此，根據(jù)給定的電機(jī)設(shè)計指標(biāo)，可將電流線負(fù)荷和氣隙磁場負(fù)荷分別定為A=100 kA/m和B=0.5 T，作為電機(jī)設(shè)計的初始值。由式(1)可計算電機(jī)的有效體積。

(1)

式中：S為電機(jī)的視在功率，S=3VI=99 kVA；Dis為定子的內(nèi)直徑；lef為鐵心長度；n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；Kdp為繞組系數(shù)；A為電流線負(fù)荷；B為氣隙磁負(fù)荷。

計算可得電機(jī)有效體積：

(2)

下一步確定定子內(nèi)徑和鐵心長度，需要使用主要尺寸比：

(3)

根據(jù)電機(jī)指標(biāo)要求，電機(jī)的極對數(shù)選為2。定子內(nèi)外徑的比例定為0.6，已知定子內(nèi)徑計算值為80 mm，可得定子外徑為135 mm。表1總結(jié)了以上計算結(jié)果。

表1 電機(jī)主要尺寸初始值

電機(jī)主要尺寸的初始值并不是最終的設(shè)計值，計算的主要目的是為電機(jī)電磁性能的磁路法計算和有限元法計算提供一個良好的起點(diǎn)。

3 基于RMxprt的磁路法快速電磁性能計算優(yōu)化

利用RMxprt進(jìn)行電機(jī)建模及參數(shù)化選擇。

1)材料選擇：電機(jī)鐵心材料選擇B35AV1900，厚度為0.35 mm的無取向硅鋼。由于電機(jī)運(yùn)行溫度較高，磁鋼選擇耐高溫的釤鈷磁鋼。計算剩磁Br和矯頑力公式：

Br=[1+αBr(t-20)]Br20

(4)

Hc=[1+αHc(t-20)]Hc20

(5)

式中：Br20為20 ℃時的剩磁密度；t為工作溫度。

2)電機(jī)槽數(shù)：電機(jī)的槽數(shù)選擇為36，每極每相槽數(shù)為36/4/3=3，有助于降低諧波。

3)電機(jī)參數(shù)化：選取RMxprt中的Adjust-Speed-Synchronous Machine模板，對電機(jī)的尺寸進(jìn)行參數(shù)化，其中包括定轉(zhuǎn)子內(nèi)外徑、定子槽尺寸、磁鋼厚度等。

4)電機(jī)優(yōu)化

對電機(jī)的重要尺寸、繞組方式等組合進(jìn)行快速優(yōu)化。

如圖2所示，當(dāng)定子內(nèi)徑和外徑都固定時，對鐵心長度和永磁體厚度進(jìn)行參數(shù)掃描。結(jié)果表明，在鐵心長度為92 mm時，永磁體厚度3.5 mm與4.0 mm所實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)矩相同，且此時效率達(dá)到峰值96.15%。顯而易見，選取厚度3.5 mm的永磁體是合適的。設(shè)計目標(biāo)要求的電機(jī)效率為95%，而RMxprt中采用的等效磁路法不考慮護(hù)套可能產(chǎn)生的渦流損耗，預(yù)留1.15%損耗也可以用于補(bǔ)償護(hù)套渦流損耗以達(dá)到設(shè)計目標(biāo)需求。

圖2 不同永磁體厚度下，定子長度與效率的關(guān)系

通過上述的參數(shù)化掃描方法，對大量的參數(shù)組合進(jìn)行效率體積最優(yōu)化計算，表2為部分性能計算結(jié)果。

表2 RMxprt電機(jī)性能計算結(jié)果

4 電機(jī)實(shí)驗

根據(jù)電磁設(shè)計結(jié)果，加工了一臺額定轉(zhuǎn)速為30 000 r/min、功率為75 kW的高速電機(jī)，如圖3所示。并搭建了高速電機(jī)運(yùn)行平臺，包括高速電機(jī)、安裝平臺、水冷機(jī)、驅(qū)動系統(tǒng)等，如圖4所示。

圖3 高速電機(jī)

圖4 高速電機(jī)測試系統(tǒng)

由空載反電動勢實(shí)驗測試結(jié)果(如圖5所示)可以看出，空載反電動勢與轉(zhuǎn)速之比接近常數(shù)，說明高速電機(jī)運(yùn)行在非磁飽和狀態(tài)，而且空載反電動勢波形質(zhì)量較好，畸變率較低。

圖5 空載反電動勢測試分析

對空載反電動勢的諧波成分作分析處理，發(fā)現(xiàn)了偶次諧波，這是受到電機(jī)定子形狀誤差帶來的影響。

對電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩波動進(jìn)行測試，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩為0.4 N·m，而額定轉(zhuǎn)矩為23.7 N·m，齒槽轉(zhuǎn)矩僅為額定電磁轉(zhuǎn)矩的1.69%，能滿足運(yùn)行要求。究其原因是由于電機(jī)加工裝配等過程中，出現(xiàn)了齒槽轉(zhuǎn)矩波動疊加現(xiàn)象。

電機(jī)制造過程中的工藝控制，對電機(jī)性能有著至關(guān)重要的影響。由于電機(jī)加工過程中有來自設(shè)備、測量以及環(huán)境等各種誤差源，均可能導(dǎo)致電機(jī)制造出現(xiàn)尺寸偏差，而定子加工帶來的誤差對齒槽轉(zhuǎn)矩有直接的影響。圖6為在定轉(zhuǎn)子尺寸理想狀態(tài)下，齒槽轉(zhuǎn)矩在一個機(jī)械周期內(nèi)的波形圖，電機(jī)的齒槽轉(zhuǎn)矩總共含有36個波動周期對應(yīng)定子槽數(shù)。圖7～圖10分別為定子槽口寬度不一致、定轉(zhuǎn)子不同心、定子橢圓和以上三種情況疊加下的齒槽轉(zhuǎn)矩波形。從圖7～圖10中可以看出，隨著電機(jī)相關(guān)尺寸的變化，齒槽轉(zhuǎn)矩的幅值逐漸增大，三種情況疊加時幅值增大最多，同時波形中都會產(chǎn)生與磁極數(shù)p及其倍數(shù)次的諧波。

圖6 理想尺寸下的齒槽轉(zhuǎn)矩波形

圖7 槽口寬度不相等時的齒槽轉(zhuǎn)矩波形

圖8 電機(jī)定轉(zhuǎn)子不同心時的齒槽轉(zhuǎn)矩

圖9 電機(jī)定子橢圓時的齒槽轉(zhuǎn)矩

圖10 三種狀態(tài)疊加后的齒槽轉(zhuǎn)矩波形

利用FFT工具對上面五種狀態(tài)下的電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得如圖11所示的諧波分析圖。從圖11中可以看出，理想狀態(tài)下齒槽轉(zhuǎn)矩波動僅含有36個周期，而隨著各種尺寸誤差的產(chǎn)生，齒槽轉(zhuǎn)矩中將會產(chǎn)生周期數(shù)更低的波形，而波形周期數(shù)對應(yīng)于電機(jī)的極數(shù)或其倍數(shù)。分析結(jié)果可以看出，電機(jī)的槽口寬度尺寸誤差對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響最為顯著，在加工過程中尤其要注意定子槽口尺寸的誤差控制。

圖11 齒槽轉(zhuǎn)矩諧波分析

通過定性分析加工過程中尺寸的變化對齒槽轉(zhuǎn)矩的影響，為保證齒槽轉(zhuǎn)矩優(yōu)化更小，應(yīng)從工藝角度，嚴(yán)格把控電機(jī)定子尺寸的加工精度，也再次證實(shí)了設(shè)計之初，用來降低齒槽轉(zhuǎn)矩的斜槽結(jié)構(gòu)未被采納也是此次研制過程的遺憾。

5 結(jié) 語

本文研究通過ANSYS/Maxwell等數(shù)值計算工具，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的電磁計算分析，并且進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，研制成功75 kW、30 000 r/min的大功率高速永磁同步電機(jī)，功能指標(biāo)達(dá)到了課題預(yù)期目的。

本課題的目的為單位自研能力突破，綜合電機(jī)實(shí)驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，齒槽轉(zhuǎn)矩波動在實(shí)際應(yīng)用過程中，尤其是大功率電機(jī)，是非常重要的性能影響因素，關(guān)系到電機(jī)的運(yùn)行振動噪聲以及壽命等指標(biāo)，也因此部分反映了自研電機(jī)與國外產(chǎn)品的差距所在。由此揭示了設(shè)計層面往往單純的二維仿真分析，并不能滿足某些高性能電機(jī)的設(shè)計要求，需要輔助三維仿真及其他深層設(shè)計研究手段。

而在加工制造環(huán)節(jié)，高性能電機(jī)生產(chǎn)有別于傳統(tǒng)電機(jī)的制造精度要求，需要進(jìn)一步優(yōu)化生產(chǎn)工藝，提高定轉(zhuǎn)子的加工以及裝配精度。