永磁機開口槽和線規(guī)設計對永磁體失磁的影響分析

岳衛(wèi)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(fā)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(guī)定的環(huán)境條件、工作溫度和使用條件下應能保證磁性能的穩(wěn)定性，防止局部溫度過高導致失磁。

民用工業(yè)領域廣泛采用釹鐵硼永磁材料，其熱穩(wěn)定性差，矯頑力具有負溫度系數(shù)等特點。在定子設計不當時，永磁電機鐵芯表面溫度會出現(xiàn)過高現(xiàn)象，使鐵芯表面出現(xiàn)發(fā)藍、發(fā)黑的區(qū)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(fā)現(xiàn)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(jīng)濟損失，提高系統(tǒng)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(guī)選取和槽型結構設計角度出發(fā)，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(guī)導線、電機氣隙磁密以及諧波磁密進行仿真，以研究渦流、環(huán)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(shù)如下：定子槽數(shù)27；定子外徑1400mm，內徑1100mm；定子每槽導體數(shù)30；繞組線規(guī)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(guī)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(guī)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(huán)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(guī)或者換位編織線繞制，這樣可以降低渦流損耗和環(huán)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。現(xiàn)將線規(guī)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(xiàn)發(fā)藍、發(fā)黑的區(qū)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(jù)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(shù)為：2 mq±1。本電機q＝0.375，則齒諧波的次數(shù)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(guī)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(guī)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。

［1］唐任遠.現(xiàn)代永磁電機理論與設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2000

［2］湘潭電機廠.交流電機設計手冊［M］.長沙：湖南人民出版社，1978

［3］趙博，張洪亮.Ansoft12在工程電磁場中的應用［M］.北京：中國水利水電出版社，2010

［4］朱少林，王群京.基于Ansoft的永磁同步發(fā)電機建模與仿真［J］.電機技術，2008（4）