新材料對外轉子永磁同步電機輸出特性影響分析

趙元勝，唐德佳，潘衛(wèi)東，何 洋，趙 睿

(上海航天控制技術研究所，上海 201109)

0 引 言

電驅動飛行器由于需要長時間在臨近空間巡航，而臨近空間跨越了平流層、中間層和熱層的低層區(qū)域，不僅環(huán)境溫度變化復雜，而且還存在光化學作用、電離層與中性大氣的耦合、低層大氣波動、電流和高能粒子加熱等物理過程[1-3]，對電機的質量、體積、可靠性等方面要求嚴苛，希望電機的轉矩、功率密度、效率、溫升等性能能夠得到明顯提升[4-5]。

電驅動飛行器采用直接驅動方式，轉速在1 500 r/min左右，因此，高速高功率密度電機不在本文的討論之列。國際上幾款電驅動飛行器如英國的Zeyphr、瑞士的Solar Impulse以及歐盟的Heliplat，由于推進電機的轉速不高，功率密度僅能達到0.4 kW/kg等級[6-8]。

目前，國內外學者在提高電機功率密度方面做了很多研究。天津大學王曉遠教授通過對比分析鼠籠異步電機和永磁同步電機設計特點，總結出高功率密度電機在設計時材料選擇與工藝處理等規(guī)律[9]；哈爾濱工業(yè)大學李立毅教授通過對高過載永磁同步電機的研究，研制了一臺10倍過載能力的短時高功率密度電機，分析了電機結構對過載能力的影響[10]；哈爾濱工業(yè)大學張江鵬對1J22鐵磁材料進行了細致的研究，得到了該材料的B-H曲線和B-P曲線[11]；在工藝上用扁線代替?zhèn)鹘y(tǒng)的圓導線，能夠明顯提高槽滿率，從而提升電機功率密度。國內外學者除了對傳統(tǒng)的異步電機和同步電機進行研究，還致力于對新型結構電機的研究，如橫向磁通電機、超導電機、磁阻電機、混合勵磁電機等，對提高電機功率密度有所幫助[12-14]。

本文通過應用新型的鐵磁材料來提高外轉子永磁同步電機(以下簡稱ERPMSM)的功率密度、效率等性能，以傳統(tǒng)的硅鋼片入手，對樣機進行初步設計，在此基礎上分析1J22、非晶合金對電機輸出性能的影響，總結了這三種材料的優(yōu)劣勢，給出了各個材料的應用場合，為樣機的研制提供依據(jù)，最后通過實驗驗證了樣機設計的合理性。

1 結構參數(shù)對ERPMSM性能影響

1.1 極槽配合對輸出能力的影響

選用不同的極槽配合，電機的繞組因數(shù)kw不同，在其他條件不變的情況下，電機的空載反電動勢E0不同[15]，如下式所示:

E0=4.44fNkwΦδ0

(1)

式中:f為電流頻率；N為繞組相繞組匝數(shù)；Φδ0為空載氣隙主磁通。

E0的大小不僅決定電動機工作于增磁還是去磁狀態(tài)，而且對電機的輸出性能影響很大，合理設計E0可以降低定子電流，提高電動機效率，減小溫升。表1列出了幾種不同極槽配合下的kw值[16]。

表1 分數(shù)槽集中繞組電機繞組因數(shù)kw

從提高空載反電動勢的角度來講，應當選擇繞組因數(shù)較大的極槽配合，同時電機轉速較低，且碳化硅驅動器在高頻下性能優(yōu)勢明顯，因此可以選擇極對數(shù)較高的極槽配合。初步選定極槽配合為32極36槽。

1.2 定子齒槽寬度比對輸出能力的影響

ERPMSM屬于徑向磁路結構，在同一平面內，電路和磁路存在競爭關系。在給定的技術條件下，如果想要提高電機的輸出功率，一方面可以提高磁負荷，此時為了避免定子齒部磁密出現(xiàn)過飽和情況，需要增大齒寬；另一方面可以提高電負荷，此時為了避免電流密度過大導致電機不能長時間工作，需要增大槽面積來增大繞組銅截面積[17]。通過以上分析可知，對于徑向磁路結構的電機，電路與磁路的競爭關系決定了不可能同時增大電負荷與磁負荷，總是在妥協(xié)中達到最優(yōu)解。

從圖1可以看出，定子齒寬并不是越大越好，隨著齒槽寬度比的增大，電磁轉矩先增大后減小，對于外轉子而言，當齒槽寬度比在1.0～1.1之間時，電磁轉矩最大；從圖2可以看出，電磁轉矩取最大值時，電機效率并不高。因此，定子齒寬的選擇要綜合考慮并兼顧電磁轉矩與效率。

圖1 齒槽寬度比對電磁轉矩的影響

圖2 定子齒槽寬度比對效率的影響

1.3 定子軛厚對輸出能力的影響

定子軛部是電機磁路形成閉合回路的一環(huán)，軛部的磁密飽和程度對電機的性能影響較大。由于選擇的極對數(shù)較多，所以定子軛部厚度要比低極對數(shù)時薄得多，而且定子軛部越薄，定子的槽截面積就越大，電負荷增大使得輸出能力得以增加，但是軛部太薄將使得該部位的磁密飽和程度增大，進而導致效率降低，得不償失。

從圖3可以看出，電磁轉矩隨定子軛厚呈現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，在定子軛厚為3 mm左右時取最大值；從圖4可以看出，隨著定子軛厚的增大，效率也在增大，不過變化比較小。

圖3 定子軛厚對電磁轉矩的影響

圖4 定子軛厚對效率的影響

1.4 永磁體厚度對輸出能力的影響

永磁同步電機通過永磁體建立空載氣隙磁場，永磁體厚度將影響氣隙磁通密度，最終影響輸出轉矩。增大永磁體厚度可以提高氣隙磁通密度，但是永磁體的磁導率很低，與空氣近似，也就意味著電樞磁場的氣隙增大，而電機在工作時的磁場是空載磁場與電樞磁場的合成，一味增大空載磁場，將會大大降低電樞磁場，使得合成磁場幅值降低。

從圖5可以看出，在轉子外徑不變的情況下，增加永磁體厚度使得定子槽截面積降低，電負荷將會降低，所以隨著永磁體厚度的增大，電磁轉矩是先增大后減小的趨勢，永磁體厚度在5～6 mm區(qū)間時，電磁轉矩取得最大值。從圖6可以看出，效率的最高點出現(xiàn)在永磁體厚度4～5 mm區(qū)間。

圖5 永磁體厚度對電磁轉矩的影響

圖6 永磁體厚度對效率的影響

2 有限元分析結果

通過上述分析，得到ERPMSM的主要參數(shù)，如表2所示。圖7為有限元計算模型。

表2 ERPMSM主要參數(shù)

圖7 有限元計算模型

圖8和圖9分別是額定轉速下的空載仿真與負載仿真結果，其中氣隙磁密幅值為0.77 T，空載相反電動勢幅值有效值為46.7 V，額定電磁轉矩為38.2 N· m，負載相反電動勢幅值有效值為65.1 V。

圖8 空載仿真結果

圖9 負載仿真結果

3 新型鐵磁材料對電機性能的影響

3.1 新型鐵磁材料特性分析

圖10 是三種鐵磁材料的B-H曲線。從磁飽和性能來看，1J22>硅鋼片>非晶合金，飽和磁密高，意味著能夠設計更高的磁負荷，從而提高輸出能力，而且也能夠提高過載能力。

圖10 三種鐵磁材料B-H曲線

圖11是三種鐵磁材料的損耗曲線。從單位質量損耗來看，硅鋼片>1J22>非晶合金，不僅如此，非晶合金在高頻下?lián)p耗增長依舊較小，說明非晶合金在高頻下優(yōu)勢更加明顯。

圖11 三種鐵磁材料損耗曲線

3.2 新型鐵磁材料對電磁轉矩的影響

電機的電磁轉矩不僅與氣隙磁場強度有關，還與定子側的磁動勢有關。在只改變定子鐵心材料的情況下，定子鐵心的磁密飽和程度不同，會影響氣隙合成磁場。表達式如下：

(2)

式中:p為極對數(shù)；F1為定子磁動勢；δ1為轉矩角。

采用id=0的控制模式，得到負載反電動勢與相電流的關系曲線，如圖12所示。從圖12中可以看出，硅鋼片與非晶合金的負載反電動勢基本重合；在低負載的情況下，三種材料的負載反電動勢基本一致；在相電流大于35 A時，1J22材料的負載反電動勢開始大于其他兩種材料，且在高過載的情況下，1J22材料的負載反電動勢高出其他兩種材料15.1%。

圖12 負載反電動勢與相電流關系曲線

圖13為三種材料的T-I曲線。從圖13中可以看出，硅鋼片與非晶合金材料的T-I曲線基本重合，這說明這兩種材料的輸出能力相差不大，而1J22鐵磁材料在I=60 A即1.2倍以上過載時，輸出能力明顯增強。在額定狀態(tài)下，1J22輸出能力提高4.2%；在最大過載能力下，1J22輸出能力提高13.6%。

圖13 三種鐵磁材料T-I曲線

3.3 新型鐵磁材料對效率的影響

在其他條件不變，只改變定子鐵心材料的情況下，影響電機效率的變量只有定子鐵心損耗。根據(jù)分離鐵耗模型，電機的鐵心損耗由下式三部分組成：

pFe=ph+pe+pexc

(3)

式中:ph磁滯損耗；pe渦流損耗；pexc附加損耗。

磁滯損耗、渦流損耗和附加損耗計算分別如下式所示：

(4)

式中:Kh為磁滯損耗系數(shù)；Ke為渦流損耗系數(shù)；Kexc為附加損耗系數(shù)；Bm為鐵心磁密正弦波形的幅值；α，β是與材料相關的系數(shù)。

可以看出，定子鐵心損耗不僅與頻率成正相關，而且與鐵心磁密成正相關。

圖14是定子鐵耗隨負載的變化曲線，從定子鐵耗來看，硅鋼片>1J22>非晶合金，在最大過載情況下，與硅鋼片的定子鐵耗相比，1J22的鐵耗減低了47.1%，非晶合金的鐵耗降低了84.9%，這表明采用1J22和非晶合金這兩種新型鐵磁材料可以有效降低定子鐵耗。圖15是定子鐵心用三種材料時的效率曲線。從效率曲線可以看出，改變定子鐵心的材料，對效率隨負載的變化趨勢是沒有影響的，采用1J22和非晶合金這兩種材料的電機效率都略高于硅鋼片。細致看來，在低負載的情況下，用非晶合金材料效率更高，而在高過載的情況下，用1J22材料的效率更高。

圖14 三種鐵磁材料的定子鐵耗曲線

圖15 三種鐵磁材料效率曲線

4 實驗分析

根據(jù)前面的設計，定子鐵心采用傳統(tǒng)的硅鋼片及1J22鐵磁材料，制作的樣機如圖16所示，樣機總質量為6.65 kg，負載測試平臺如圖17所示。

圖16 ERPMSM樣機

圖17 輸出轉矩實驗測試平臺

使用傳統(tǒng)硅鋼片的電機空載轉速曲線如圖18所示。從圖18可知，電機在2 500 r/min附近空載轉速穩(wěn)定在±20 r/min波動，轉速波動僅為1%，此時空載電流僅為1.8 A。

圖18 硅鋼片樣機空載轉速曲線

負載測試采用兩臺電機對拖方式，電機的負載轉速如圖19所示。

圖19 硅鋼片樣機負載轉速曲線

通過加大負載電流，得到被測電機輸出轉矩隨負載電流的變化曲線如圖20所示，由于受限于驅動器水平，負載電流最大施加到80 A。從圖20可以看出，當電流小于30 A，實驗結果略小于仿真結果，兩者平均相差 6.2%，轉矩實驗結果較仿真結果先趨向于飽和，在額定工況下，轉矩實驗結果為34.8 N·m，與仿真結果相差9.4%，功率密度為0.82 kW/kg。

圖20 硅鋼片樣機T-I實驗曲線

圖21為傳統(tǒng)硅鋼片和1J22鐵磁材料的T-I實驗曲線，實驗結果與前文的分析相吻合，即在低負載階段，二者的性能幾乎沒有差別，當大于額定負載時，1J22材料的輸出能力明顯增強，在80 A時，輸出能力提高了9.8%。

圖21 硅鋼片樣機T-I實驗曲線

5 結 語

本文以ERPMSM為研究對象，首先通過ANSYS有限元軟件對電機結構進行仿真分析，得到結構參數(shù)對ERPMSM的性能影響，為電機設計提供依據(jù)。其次，對傳統(tǒng)硅鋼片、1J22和非晶合金的材料特性進行分析，得到新型材料對電機在輸出能力和效率方面的影響，結果表明：在高過載工況下，1J22性能優(yōu)勢明顯，輸出能力提高13.6%，鐵耗降低47.1%；在高頻工況下，非晶合金性能優(yōu)勢明顯；不過，就經濟效益而言，新型鐵磁材料的價格比傳統(tǒng)硅鋼片高出100倍之多。最后，設計了一款樣機并進行了初步實驗，在額定點時，轉矩實驗結果為34.8 N·m，與仿真結果相差9.4%，驗證了設計的合理性。