帶有不同屏蔽層結構的高速永磁電機轉子渦流損耗分析與實驗驗證

李 偉，江曉波，孫 魯，彭輝燈

(1.貴州航天林泉電機有限公司(國家精密微特電機工程技術研究中心)，貴州 貴陽 550008；2.空裝成都局駐貴陽地區第一軍代表室，貴州 貴陽 550008)

0 引言

高速永磁電機由于其高功率密度、高效等優點，在航空起發電機、高速磨床、飛輪儲能等方面有著廣泛的應用[1-2]。但由于高速電機轉子散熱條件差，永磁電機高頻諧波電流在轉子上產生大量的渦流損耗，易造成永磁體溫升過高，甚至發生不可逆失磁[3-4]。為了提高高速永磁電機的設計精度和運行穩定性，抑制轉子渦流損耗至關重要。

為減小高速永磁同步電機的轉子渦流損耗，目前已有大量文獻對渦流損耗抑制方法進行研究。文獻[5-6]研究了不同極槽配合對各次時空諧波含量的抑制作用，并進一步研究不同相數電機氣隙磁密諧波畸變率和繞組損耗系數變化規律。文獻[7-8]研究了不同繞組形式對轉子渦流損耗的影響，采用分數槽集中繞組可以有效地增大電機的效率，但會引入額外的諧波增大轉子的渦流損耗。而采用雙層繞組可以有效地抑制轉子渦流損耗。此外針對采用分數槽集中繞組的電機，為進一步優化其性能，文獻[9]采用定子齒部開輔助槽的方法優化氣隙磁密，減小磁導諧波含量，有效地抑制轉矩脈動和轉子的渦流損耗。

除了優化定子結構抑制轉子渦流損耗，也可以通過優化轉子結構減小渦流損耗。文獻[10-11]將永磁體表面做開槽處理，切斷永磁體上的渦流回路，降低渦流大小。而永磁體完全分隔會增加成本，降低轉子機械魯棒性，采用環形分割的方法能夠在保證電機機械魯棒性的前提下，減小轉子的渦流損耗。針對帶有金屬護套的高速永磁電機，分別采用護套周向和軸向開槽的方法在保證電機性能的條件下抑制金屬護套的渦流損耗[12-13]。文獻[14-16]針對帶有屏蔽結構的電機進行渦流密度分布分析，利用屏蔽層高電導率特性屏蔽電流高次諧波在永磁體中產生的損耗，并在此基礎上提出了一種局部屏蔽結構，在抑制永磁體損耗的基礎上減小了屏蔽層的損耗。此外文獻[17]提出一種轉子疊片銅阻尼環結構，此種結構對于抑制單層繞組的電機轉子渦流損耗效果尤其明顯。

本文針對高速永磁電機轉子屏蔽結構進行分析，對比內外層屏蔽結構以及屏蔽層開槽對轉子渦流損耗的影響。針對開槽的籠型屏蔽結構進行開槽參數優化計算，得到轉子渦流損耗最低時籠型屏蔽結構的參數。最后采用C型鐵心實驗驗證屏蔽結構對渦流損耗的影響。

1 屏蔽結構對轉子損耗的影響

1.1 單層護套屏蔽結構轉子渦流損耗分布

表貼式高速永磁電機通過添加護套結構保證永磁體的機械性能，不同電導率的護套對轉子的渦流損耗也起到屏蔽作用。

以一臺40 kW電機為例分析各類屏蔽結構對轉子渦流損耗的影響，樣機主要參數見表1。為了提高計算精度，對永磁體和護套的外徑處進行多層剖分以考慮各次諧波的趨膚深度影響，有限元模型如圖1所示。

表1 電機的主要參數

圖1 有限元模型和網格劃分

分別對帶有碳纖維護套和鈦合金護套的永磁電機轉子損耗進行分析。在不同轉速下的轉子渦流損耗分布如圖2所示。

圖2 不同轉速下轉子渦流損耗分布

從損耗分布圖可以看出，當轉速為15000 r/min、碳纖維作為轉子護套時，渦流損耗主要集中在永磁體上，占轉子總損耗的92.3%；鈦合金作為轉子護套時，護套上渦流損耗占轉子總損耗的68.2%。當轉速增大到30000 r/min時，鈦合金護套上的渦流損耗顯著增大，永磁體上的渦流損耗占轉子總損耗的23%。

從計算結果可以看出，電導率較高的金屬護套對高次諧波在轉子上產生的渦流損耗具有屏蔽作用，在轉速為15000 r/min時，轉子總損耗與碳纖維護套轉子損耗相比降低了12.3%。在轉速增大到30000 r/min時，由于金屬護套電導率高，護套損耗占比較高且迅速增大，遠大于碳纖維作為護套時永磁體損耗增加量。導致轉子總損耗與碳纖維護套相比增大了31.2%。由此可知，高電導率材料可有效地抑制轉子的渦流損耗，但參數設計不合理時，對轉子渦流損耗非但沒有抑制作用，反而會使其顯著增大。

1.2 屏蔽層結構對轉子渦流損耗的影響

圖3 不同屏蔽結構

為進一步減小高速永磁電機轉子渦流損耗，分別對內外屏蔽結構以抑制高次諧波在轉子上產生的損耗。結構模型如圖3所示。其中屏蔽層材料采用銅(電導率為5800000 S/m)和鋁(電導率為3300000 S/m)。在轉速為30000 r/min時，轉子渦流損耗分布如圖4所示，不同屏蔽材料損耗變化如圖5所示。

圖4 不同屏蔽結構損耗分布

圖5 不同屏蔽層材料對損耗的影響

從計算結果可以看出，采用屏蔽層結構能有效地抑制轉子渦流損耗。碳纖維為護套、銅為屏蔽層材料時，采用內屏蔽層結構，使永磁體上的渦流損耗下降了77%，護套損耗變化較小，轉子總損耗降低了17.6%。采用外屏蔽結構時，由于屏蔽層上的損耗增大導致轉子損耗與內屏蔽層損耗相比上升6.9%。采用鋁屏蔽層材料時，轉子總損耗降低了6.5%。因此，在選用屏蔽層材料時，高電導率材料對高次諧波的抑制作用更為明顯。

當鈦合金為護套，銅為屏蔽層材料時，采用內屏蔽層結構，護套和永磁體渦流損耗變化較小，降低了約5.9%，而屏蔽層上產生了額外的損耗，是轉子總損耗增大了5.6%。采用外屏蔽結構時，護套損耗降低了31.5%，但外屏蔽結構上產生了大量的渦流損耗。轉子總損耗降低了9.2%。采用鋁屏蔽層時，轉子總的渦流損耗基本保持不變。由此可以看出，內屏蔽層結構對帶有金屬護套的電機轉子渦流損耗難以起到屏蔽作用，且會使轉子損耗增大。外屏蔽層結構對帶有金屬護套的電機可起到屏蔽作用，但由于外屏蔽結構需采用鍍層結構，最外層的屏蔽層結構會產生大量額外的渦流損耗。因此外屏蔽層結構更實用于高電導率的金屬護套轉子結構，內屏蔽層結構更適用于碳纖維等低電導率護套結構的轉子。

2 內屏蔽層周向分段對轉子渦流損耗的影響

為了解決帶有金屬護套的永磁電機采用內屏蔽結構轉子總損耗增大的問題，通過采用內屏蔽層分段的方法，增強屏蔽層結構渦流反作用進一步抑制金屬護套的損耗，周向分段結構如圖6所示。分段后轉子渦流損耗分布如圖7所示。

圖6 屏蔽層分段結構

圖7 屏蔽層分段后渦流和損耗分布

屏蔽層分段后，屏蔽層上的渦流回路增加，但由于屏蔽層電阻率極低，當屏蔽層上損耗增加量小于由于渦流反作用導致護套損耗的減小量時，轉子總損耗即會降低。由計算結果可以看出，屏蔽層上損耗增大了73%，金屬護套的損耗減小了23.3%。但由于屏蔽層上的損耗占比較小，轉子總損耗降低了10.3%。接下來對屏蔽層分段數量進行分析。不同分段數量對轉子損耗的影響如圖8所示。

由圖8可以看出，屏蔽層分段過多時，屏蔽層渦流回路增多，導致屏蔽層上的損耗迅速增大，導致轉子渦流損耗增大明顯。在分段數量為12段，即在每塊永磁體所對應的屏蔽層區域分為3段時，轉子總損耗達到最小。

圖8 屏蔽層分段對轉子渦流損耗的影響

3 屏蔽層結構實驗驗證

轉子渦流損耗采用實驗方法直接測量較為困難，采用C型鐵心測試方法可以直接測出高頻電流對渦流損耗的影響[18]。本文對帶有護套和屏蔽結構的樣品進行渦流損耗測量，以驗證屏蔽層對高次諧波在轉子上產生渦流損耗的抑制效果。實驗平臺如圖9所示。

通過WT230分別在放置不同樣品時進行損耗測試，采用測試線圈測量反電動勢得到氣隙磁密。

在保持氣隙磁密度不變，頻率為1000 Hz的情況下，可以分別得到放置樣品和不放置樣品時C型鐵心的輸入功率。測試功率和電流分別為P1、P2、I1、I2。則樣本Ps的渦流損耗為：

(1)

通過該平臺得到不同屏蔽層材料和不同護套材料時轉子渦流損耗的大小如圖10所示。以鈦合金為護套時，被測樣品渦流損耗隨屏蔽層分段數量變化如圖11所示。

圖10 屏蔽層結構對樣品渦流損耗的影響

圖11 屏蔽層分段對渦流損耗的影響

由實驗的結果可以看出，屏蔽層結構能夠有效地抑制高次電流諧波產生的渦流損耗，將屏蔽層分段后，在采用低電導率的碳纖維護套時，銅材料內屏蔽結構下樣品總損耗相比于無屏蔽層時損耗降低18.9%。高電導率的銅屏蔽層與鋁屏蔽層相比損耗降低8.8%。采用高電導率的合金護套，樣品渦流損耗隨內屏蔽層分段數量損耗先減小后增大，當屏蔽層分為3段時相比于無屏蔽層降低了17.2%，驗證了屏蔽層對轉子渦流損耗的抑制作用。

4 結語

本文針對不同屏蔽結構進行適用性研究，并提出一種內屏蔽層分段的方法。通過在不同護套時對內外屏蔽層結構的轉子渦流損耗計算可以看出，內屏蔽層結構適用于帶有低電導率護套的轉子結構，而外屏蔽層結構適用于帶有高電導率護套的轉子結構。此外屏蔽層電導率越高，屏蔽效果越明顯，在設計屏蔽層材料時，需選擇高電導率材料作為轉子的屏蔽結構。

通過將內屏蔽層進行周向分段，增加了屏蔽層上渦流回路的數量，屏蔽層上的渦流反作用更為明顯，進一步抑制了護套上的損耗，在高電導率材料作為護套時，同樣可以對轉子渦流損耗起到屏蔽作用，增強了屏蔽層的適用性。但分段數量過多時會增大屏蔽層損耗，使轉子總損耗增加，在每塊永磁體對應的屏蔽層區域分成3段時，轉子損耗最小。