高速永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

傅江華

摘 ?要：高速永磁電機(jī)在當(dāng)前的生產(chǎn)生活中應(yīng)用廣泛，本文基于筆者的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，首先對(duì)影響高速永磁電機(jī)性能的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析，然后對(duì)高速永磁電機(jī)的散熱方案進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：高速永磁電機(jī);溫升限制;散熱優(yōu)化

一、序言

伴隨著當(dāng)前科技水平的提高，傳統(tǒng)的電機(jī)逐漸被功率更高、體積更小的高速永磁電機(jī)所取代。所謂高速永磁電機(jī)是指其轉(zhuǎn)速在10kr/min以上的永磁電機(jī)，能夠應(yīng)用到多種領(lǐng)域，十分符合當(dāng)前我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和相關(guān)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域升級(jí)的需求。本文主要針對(duì)高速永磁電機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料損耗、轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子支承等動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析，基于高速永磁電機(jī)的維護(hù)需求和低故障率需求對(duì)高速永磁電機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，希望能為相關(guān)的產(chǎn)品研發(fā)提供參考。

二、關(guān)鍵參數(shù)對(duì)高速永磁電機(jī)性能的影響

高速永磁電機(jī)的尺寸主要受電磁、溫升和機(jī)械三個(gè)方面的限制。首先是電磁方面，其應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是在特定的電磁負(fù)荷情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)子體積能夠輸出相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩主要受電機(jī)氣隙磁密平均值、電機(jī)線負(fù)荷有效值、轉(zhuǎn)子表面積等因素決定，在相同的線負(fù)荷與氣息磁密取值下，高速電機(jī)的優(yōu)勢(shì)就在于其轉(zhuǎn)速越高，相應(yīng)的輸出功率也就越大;其次是溫升方面，其應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)是在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，其散熱面積和冷卻方式能夠使整體高速永磁電機(jī)的溫情情況控制在絕緣等級(jí)之內(nèi)。因?yàn)樵诟咚匐姍C(jī)運(yùn)行的過(guò)程中，其定轉(zhuǎn)子勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定程度的損耗，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的熱能使得電機(jī)內(nèi)不出現(xiàn)溫升。高速永磁電機(jī)的溫升主要是受轉(zhuǎn)子永磁體的磁場(chǎng)強(qiáng)度、定子繞組的絕緣壽命和抗去磁能力等影響，直接表現(xiàn)為電機(jī)的散熱情況和損耗情況;最后是機(jī)械方面，機(jī)械參數(shù)的選擇主要表現(xiàn)為在離心力和共振的情況下，轉(zhuǎn)子的外徑和長(zhǎng)徑比能夠保護(hù)轉(zhuǎn)子不被破壞。高速永磁電機(jī)的機(jī)械限制主要表現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速下軸承尺寸的限制、轉(zhuǎn)子離心力限制和轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速限制三個(gè)方面。既需要考慮在離心力和共振的情況下轉(zhuǎn)子的尺寸需求，也需要考慮臨界轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子尺寸的限制和軸承尺寸的限制。此外還有相關(guān)足間剛度和阻尼等參數(shù)也會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性產(chǎn)生影響，所以機(jī)械方面的限制是對(duì)高速永磁電機(jī)各組件參數(shù)選擇的主要參考對(duì)象。

三、高速永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.優(yōu)化方案選擇

經(jīng)過(guò)對(duì)電機(jī)電磁溫升限制的研究，我們可以了解到，高速永磁電機(jī)的電磁符合需要隨著轉(zhuǎn)速的提高而下降才能使高速永磁電機(jī)不達(dá)到溫升極限。所以為提高整體高速永磁電機(jī)功率的密度，本次設(shè)計(jì)準(zhǔn)備了以下三個(gè)方面的優(yōu)化：首先是利用臨近相應(yīng)、抗集膚效應(yīng)和環(huán)流的繞線方案，從繞組形勢(shì)入手來(lái)阻礙電磁轉(zhuǎn)速;其次是利用新型的定子鐵心材料來(lái)降低定子的鐵耗;第三是針對(duì)散熱面的散熱方案入手，利用水套冷卻或蒸發(fā)冷卻等先進(jìn)的散熱方案來(lái)提高傳熱系數(shù)。

2.散熱優(yōu)化

本次設(shè)計(jì)的電機(jī)為降低交流銅耗，采用較深的槽，并使內(nèi)外線圈均集中在內(nèi)槽和外槽的底部，在槽的上部留出了一定的空間。這樣做的同時(shí)也增大了定子的散熱面積。軸向吹拂冷卻氣流吸入電機(jī)內(nèi)部后，被電機(jī)繞組和扼部分為兩部分，分別進(jìn)入外套、內(nèi)槽和氣隙組成的兩個(gè)風(fēng)道，最終從電機(jī)的另外一端排出。

為了解該電機(jī)基本冷卻流場(chǎng)及溫度場(chǎng)分布情況，筆者在相關(guān)軟件上建立流固禍合傳熱簡(jiǎn)化模型，采用基于FVM的CFD軟件AnsysFluent對(duì)其進(jìn)行共扼傳熱分析，最終得到的優(yōu)化方案如下：

首先是增大定子沖片的扼部厚度，縮小外槽面積，同為外槽設(shè)置了槽肩，將其由開(kāi)口槽調(diào)整為閉口槽，并使用槽楔將外槽完全封閉，移除了外風(fēng)道;

其次是增大定子內(nèi)齒寬度，縮小內(nèi)槽面積，使繞組高度增加，從而縮小了內(nèi)風(fēng)道;

最后是為補(bǔ)償外風(fēng)道被封對(duì)定子散熱帶來(lái)的影響，在機(jī)殼外設(shè)置散熱翅。

進(jìn)行完以上改進(jìn)后，由于線圈更靠近槽口，在同樣工作溫度下，銅耗由優(yōu)化前計(jì)算的683W增加至708W。定子鐵心磁密下降，但重量也有增加，綜合起來(lái)導(dǎo)致鐵耗變化不大，由77gw降低至77ow。采用同樣的方式對(duì)改進(jìn)后的電機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化及建模，并進(jìn)行迭代計(jì)算。改進(jìn)之后，軸向進(jìn)入氣隙的冷卻流量增加。轉(zhuǎn)子最高溫度點(diǎn)更靠近出口，最高溫升為91.6K。定子最高溫升仍出現(xiàn)在外繞組靠近出口處，對(duì)應(yīng)溫升為69.7K。可見(jiàn)，改進(jìn)前后，電機(jī)的定子最高溫升僅提高了不到1K，但轉(zhuǎn)子最高溫升下降了6.5K。所做的改進(jìn)工作起到了轉(zhuǎn)子散熱優(yōu)化的效果。

四、總結(jié)

總而言之，本文根據(jù)高速永磁電機(jī)的實(shí)際限制情況出發(fā)，對(duì)高速永磁電機(jī)的散熱方向進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，提高了整體散熱性能，讓其能夠更好的滿足高速永磁電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用生產(chǎn)要求。根據(jù)后續(xù)的仿真模擬實(shí)驗(yàn)，筆者對(duì)本次設(shè)計(jì)的高速永磁電機(jī)進(jìn)行了運(yùn)行模擬，確認(rèn)本次設(shè)計(jì)的電機(jī)取得了預(yù)期的設(shè)計(jì)成果。

參考文獻(xiàn)

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