高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與運(yùn)行分析技術(shù)

李慧慧

（國(guó)家能源集團(tuán)準(zhǔn)能矸石發(fā)電公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，普通電機(jī)已不能滿足現(xiàn)階段的工業(yè)實(shí)際需求，高速永磁電機(jī)在工業(yè)應(yīng)用的價(jià)值不斷提升。高速永磁電機(jī)遵循基本電磁的原理，體積小，速度快，能夠大幅度提升電機(jī)的工作效率，在一定程度上能夠有效節(jié)約成本[1-2]。高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速比較快，會(huì)面臨各種各樣的問題，應(yīng)該盡可能降低電機(jī)損耗，對(duì)提升轉(zhuǎn)子強(qiáng)度和精確計(jì)算溫升進(jìn)行分析。

1 高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

1.1 轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)特點(diǎn)

電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生比較大的離心力，因此應(yīng)該確保轉(zhuǎn)子具有一定的強(qiáng)度，因此，為保證該系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行，應(yīng)該采用低耗能、耐高溫材料，盡可能強(qiáng)化轉(zhuǎn)子的強(qiáng)度，因此，應(yīng)該采用適用性較強(qiáng)的永磁材料，采用2 極或4 極的電機(jī)轉(zhuǎn)子，因?yàn)? 級(jí)電機(jī)具有較好的機(jī)械強(qiáng)度，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但是端部繞組跨距較大，繞組電阻增加，使轉(zhuǎn)子的剛度降低，而4 級(jí)電機(jī)也會(huì)降低轉(zhuǎn)子的剛度，增加鐵耗。因此，綜合性考慮電磁和機(jī)械兩個(gè)方面，采用2 級(jí)的電機(jī)轉(zhuǎn)子更為合理[3-4]。

1.2 定子設(shè)計(jì)特點(diǎn)

電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)存在一定的損耗，一般都會(huì)選擇細(xì)長(zhǎng)的軸向長(zhǎng)度，降低定子繞組的長(zhǎng)度，采用環(huán)形繞組，將非晶質(zhì)合金粉末與球形的軟磁粉末的混合粉分割鐵心，能夠有效降低鐵損，將定子軛和定子齒的形狀進(jìn)行改進(jìn)，能夠有效解決繞線的問題。采用的環(huán)形繞組方式（如圖1 所示），在一定程度上能夠減小繞組端的長(zhǎng)度，也能提高定子的散熱能力，使定子能夠在正常溫度范圍內(nèi)，在能降低電機(jī)的噪聲時(shí)，提高電機(jī)的穩(wěn)定性[5]。一般采用0.02mm 內(nèi)的硅鋼片降低鐵耗；此外采用集中式繞組，方法簡(jiǎn)單，方便制作[6]。

圖1 采用環(huán)形繞組的定子結(jié)構(gòu)

2 高速永磁電機(jī)的綜合設(shè)計(jì)

2.1 基于多物理場(chǎng)的綜合設(shè)計(jì)流程

高速永磁電機(jī)受本身物理參數(shù)的制約，應(yīng)該全方位考慮高頻狀態(tài)下電機(jī)的電磁性能，也應(yīng)考慮各物理場(chǎng)參數(shù)間耦合迭代的過程。為滿足電機(jī)性能要求，應(yīng)該做好點(diǎn)擊相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)，滿足其機(jī)械的可靠性，根據(jù)有實(shí)際的材料強(qiáng)度等要求，初選電機(jī)的尺寸，綜合性考慮電機(jī)的物理場(chǎng)等參數(shù)，完成電機(jī)的設(shè)計(jì)。綜合設(shè)計(jì)流程如圖2 所示。

圖2 綜合設(shè)計(jì)流程

2.2 材料性能與電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

2.2.1 非晶合金材料與電機(jī)性能參數(shù)

非晶合金帶材具有良好的物理特性，比較薄、脆、硬，厚度僅有0.025mm，就有較低的能耗[7-9]。其很多優(yōu)勢(shì)非常適用于高頻電機(jī)中，能夠有效減小電機(jī)的鐵心損耗。表 1 為性能比較。表2 為電機(jī)性能參數(shù)。

表1 材料性能對(duì)比

表2 高速非晶合金永磁電機(jī)性能參數(shù)

2.2.2 非晶合金永磁電機(jī)的極槽配合

非晶合金帶材不合理的加工工藝會(huì)影響材料性能。因此，應(yīng)該規(guī)范非晶合金帶材加工工藝，在電機(jī)尺寸固定前提下，電機(jī)的槽寬會(huì)隨著電機(jī)槽數(shù)的增加而增加，這會(huì)加大對(duì)電機(jī)齒部損耗特性的影響。一般來(lái)說(shuō)，永磁電機(jī)本身的性能會(huì)受其鐵心的限制，使變頻器輸出頻率受限，因此應(yīng)該選擇極數(shù)較少的結(jié)構(gòu)。對(duì)電機(jī)2 極來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)會(huì)在一定程度上降低鐵心的損耗，降低運(yùn)行的頻率，但是由于其繞組端比較廣，加大電機(jī)銅耗，同時(shí)也會(huì)影響高速轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛度，加大該系統(tǒng)的復(fù)雜性，也不是首選的電極槽數(shù)。而隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)變頻器的輸出能夠達(dá)到上千赫，綜合性考慮，將選擇4 極結(jié)構(gòu)作為首選槽數(shù)。較少的槽極數(shù)的齒寬一般比較大，能夠有效降低加工工藝對(duì)定子的影響，但是會(huì)在一定程度上加大轉(zhuǎn)子的損耗，由于熱量無(wú)法有效散出，造成永磁體退磁，綜合考慮會(huì)選擇4 極18 槽的極槽。其中，不同極槽數(shù)的對(duì)電機(jī)性能的影響如表3 所示。

表3 電機(jī)不同極槽配合下的性能

3 高速內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 理論分析

電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的離心力。該力作用于轉(zhuǎn)子隔磁橋，造成隔磁橋發(fā)生形變，會(huì)在一定程度上影響電機(jī)的運(yùn)行。其中，高速永磁轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行所產(chǎn)生的離心力如下。

式中：m為轉(zhuǎn)子質(zhì)量，r為轉(zhuǎn)子半徑，ω為角速度，F(xiàn)為離心力，A為離心力作用面積；一般情況下，離心力應(yīng)力受到材料本身的限制，因此應(yīng)考慮材料本身的許用應(yīng)力。σ為轉(zhuǎn)子所受離心應(yīng)力，[σ]為材料許用應(yīng)力，S為安全系數(shù)。式（4）中，t為隔磁橋?qū)挾?，L為長(zhǎng)度，為保證系統(tǒng)的安全運(yùn)用，必須保證電機(jī)永磁體寬度滿足式（4）的要求。

3.2 高速永磁轉(zhuǎn)子強(qiáng)度有限元分析

一般來(lái)說(shuō)，內(nèi)置式永磁轉(zhuǎn)子隔磁橋內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，采用常規(guī)的解析計(jì)算不能對(duì)其集中應(yīng)力對(duì)轉(zhuǎn)子隔磁橋受力的影響，必須尋求合理的方法對(duì)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算解析。

一般情況下，永磁轉(zhuǎn)子采用“一”型結(jié)構(gòu)，詳見圖3 所示，雖然說(shuō)該結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，比較高加工和裝配，但是由于該結(jié)構(gòu)隔磁橋數(shù)量有限，會(huì)在高速環(huán)境下受到極大的離心力，因此應(yīng)用范圍受限；借助于有限元法計(jì)算方法能夠得到在30000r/min 時(shí)，隔磁橋所受離心力遠(yuǎn)大于本身所能承受的范圍，高達(dá)1113MPa?；诖?，有盡可能改善永磁轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，該文將“一”型結(jié)構(gòu)永磁體進(jìn)行分段。雖然說(shuō)加強(qiáng)筋能夠有效改善轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，但是也不是越多越好，一般來(lái)說(shuō)，加強(qiáng)筋數(shù)與漏磁成正比，與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力成反比趨勢(shì)，應(yīng)該在合理的基礎(chǔ)上選擇合適的加強(qiáng)筋數(shù)。因此該文將轉(zhuǎn)子分兩段設(shè)計(jì)，其中結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 “一”字形結(jié)構(gòu)永磁式轉(zhuǎn)子

圖4“一”字形結(jié)構(gòu)永磁式轉(zhuǎn)子中隔磁橋1、3 在結(jié)構(gòu)上形成對(duì)稱，受力均相同，但是2 卻與1 和3 受力情況完全不同。其中，隔磁橋1 和3 的長(zhǎng)度為l，倒角半徑為r，寬度為w1，隔磁橋2 的寬度為w2，雖然結(jié)構(gòu)上已經(jīng)被確定，但是幾何尺寸有待考究，因?yàn)楦舸艠虻某叽鐚?duì)轉(zhuǎn)子和電磁性能有本質(zhì)上的影響，該文采用的有限元和方差的分析方法能夠有效分析電機(jī)機(jī)械性能于電磁性能之間的關(guān)系，以及各個(gè)參數(shù)對(duì)電機(jī)性能指標(biāo)影響的占比情況，可以根據(jù)式（5）進(jìn)行計(jì)算，得到表4 和5。其中，yi為設(shè)計(jì)的計(jì)算變量，n為電機(jī)設(shè)計(jì)過程中的變量的個(gè)數(shù)；X設(shè)計(jì)的電機(jī)各個(gè)性能指標(biāo)；myi（xi）為y的第i個(gè)影響因子下X的平均數(shù)值；m（X）為設(shè)計(jì)的電機(jī)各個(gè)性能指標(biāo)的平均值。

圖4 兩段永磁轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

表4 反電動(dòng)勢(shì)方差分析結(jié)果（單位：V%）

表5 強(qiáng)度方差分析結(jié)果（單位：MPa、%）

4 轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速分析

隨著電機(jī)的轉(zhuǎn)速不斷提高，隨之面對(duì)的是轉(zhuǎn)子系統(tǒng)面臨臨界狀態(tài)，使轉(zhuǎn)子系統(tǒng)出現(xiàn)振動(dòng)，因此精確的臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算直接關(guān)系到高速轉(zhuǎn)子能否安全運(yùn)行。一般來(lái)說(shuō)，高速永磁電機(jī)會(huì)采用多種方式支撐其軸系（一般有滾動(dòng)、氣浮和磁軸承等），但是站在綜合性考慮的角度分析，滾動(dòng)軸承的優(yōu)勢(shì)更加突出。因此，該文所采用的是滾動(dòng)軸承。軸承剛度的大小及其特征變化情況直接影響該系統(tǒng)的臨界轉(zhuǎn)速情況，是軸承動(dòng)態(tài)性能的關(guān)鍵參數(shù)。因此，研究軸承支撐特性對(duì)該系統(tǒng)非常關(guān)鍵。在研究臨界轉(zhuǎn)速和軸承剛度研究過程中，發(fā)現(xiàn)在軸承剛度在大于109N/m 時(shí)，臨界轉(zhuǎn)速會(huì)趨于穩(wěn)定，繼續(xù)增加軸承的剛度并不能有效提高轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的剛性，因此，綜合性考慮，軸承剛度不應(yīng)小于108N/m。

5 高速內(nèi)置式永磁電機(jī)溫度場(chǎng)分析

內(nèi)置式的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)速、頻率以及損耗分布于其他電機(jī)，雖然非晶合金屬在一定程度上降低了定子鐵心的損耗，但是在高速環(huán)境下會(huì)增加轉(zhuǎn)子的摩擦損耗，產(chǎn)生很多問題。其在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為盡可能避免由于溫度過高造成很多問題，通常采用水冷、風(fēng)冷以及和冷等方式進(jìn)行物理降溫，因此，綜合性考慮成本和系統(tǒng)等因素，采用螺旋式水道冷卻方式進(jìn)行。由于定子繞組在槽內(nèi)排列極不規(guī)則，為便于分析，假設(shè)定子槽內(nèi)繞組在理想狀態(tài)下，忽略漆膜造成的溫差等，將槽內(nèi)所有絕緣材料等效成另一個(gè)導(dǎo)熱體，對(duì)其進(jìn)行理想化等效后，其導(dǎo)熱情況均勻分布在槽內(nèi)。

轉(zhuǎn)子在高速運(yùn)行環(huán)境下，會(huì)帶動(dòng)空氣的流動(dòng)，會(huì)形成對(duì)流的方式進(jìn)行熱交換，但是，形成的流體場(chǎng)和溫度場(chǎng)，加大計(jì)算的難度，為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化分析降低計(jì)算難度，引入導(dǎo)熱系數(shù)，靜止流體導(dǎo)熱系數(shù)等效流動(dòng)空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，將轉(zhuǎn)子視為靜止，進(jìn)行氣隙中對(duì)流方式熱換的效果，對(duì)導(dǎo)熱系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。假定定子和轉(zhuǎn)子在理想狀態(tài)下，則雷諾系數(shù)為式（6）。

電機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生不同部位的損耗，由于其材料不用于常規(guī)電機(jī)的材料，電機(jī)的損耗在內(nèi)部產(chǎn)生熱量。其總損耗計(jì)算如式（9）所示。

上式（9）中，Pcu為銅耗；PFe鐵心的損耗；Pad為附加損耗；Ps雜散損耗；Pfw摩擦損耗。

6 結(jié)論

綜上所述，非晶合金高速永磁電機(jī)能夠從根本上提高電機(jī)的整體性能，采用有限元和方差的分析方法得到電機(jī)溫度場(chǎng)，為后期的研究提供一定的技術(shù)參考，同時(shí)，應(yīng)該不斷尋求新的結(jié)構(gòu)、新的工藝以及新的材料，整體提升電機(jī)的整體性能。