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      帶有不同屏蔽層結(jié)構(gòu)的高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      2022-07-11 12:57:56江曉波彭輝燈
      現(xiàn)代機(jī)械 2022年3期
      關(guān)鍵詞:渦流損耗護(hù)套永磁體

      李 偉,江曉波,孫 魯,彭輝燈

      (1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司(國(guó)家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心),貴州 貴陽(yáng) 550008;2.空裝成都局駐貴陽(yáng)地區(qū)第一軍代表室,貴州 貴陽(yáng) 550008)

      0 引言

      高速永磁電機(jī)由于其高功率密度、高效等優(yōu)點(diǎn),在航空起發(fā)電機(jī)、高速磨床、飛輪儲(chǔ)能等方面有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。但由于高速電機(jī)轉(zhuǎn)子散熱條件差,永磁電機(jī)高頻諧波電流在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生大量的渦流損耗,易造成永磁體溫升過高,甚至發(fā)生不可逆失磁[3-4]。為了提高高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)精度和運(yùn)行穩(wěn)定性,抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗至關(guān)重要。

      為減小高速永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子渦流損耗,目前已有大量文獻(xiàn)對(duì)渦流損耗抑制方法進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[5-6]研究了不同極槽配合對(duì)各次時(shí)空諧波含量的抑制作用,并進(jìn)一步研究不同相數(shù)電機(jī)氣隙磁密諧波畸變率和繞組損耗系數(shù)變化規(guī)律。文獻(xiàn)[7-8]研究了不同繞組形式對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響,采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組可以有效地增大電機(jī)的效率,但會(huì)引入額外的諧波增大轉(zhuǎn)子的渦流損耗。而采用雙層繞組可以有效地抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗。此外針對(duì)采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組的電機(jī),為進(jìn)一步優(yōu)化其性能,文獻(xiàn)[9]采用定子齒部開輔助槽的方法優(yōu)化氣隙磁密,減小磁導(dǎo)諧波含量,有效地抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和轉(zhuǎn)子的渦流損耗。

      除了優(yōu)化定子結(jié)構(gòu)抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗,也可以通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)減小渦流損耗。文獻(xiàn)[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(huì)增加成本,降低轉(zhuǎn)子機(jī)械魯棒性,采用環(huán)形分割的方法能夠在保證電機(jī)機(jī)械魯棒性的前提下,減小轉(zhuǎn)子的渦流損耗。針對(duì)帶有金屬護(hù)套的高速永磁電機(jī),分別采用護(hù)套周向和軸向開槽的方法在保證電機(jī)性能的條件下抑制金屬護(hù)套的渦流損耗[12-13]。文獻(xiàn)[14-16]針對(duì)帶有屏蔽結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行渦流密度分布分析,利用屏蔽層高電導(dǎo)率特性屏蔽電流高次諧波在永磁體中產(chǎn)生的損耗,并在此基礎(chǔ)上提出了一種局部屏蔽結(jié)構(gòu),在抑制永磁體損耗的基礎(chǔ)上減小了屏蔽層的損耗。此外文獻(xiàn)[17]提出一種轉(zhuǎn)子疊片銅阻尼環(huán)結(jié)構(gòu),此種結(jié)構(gòu)對(duì)于抑制單層繞組的電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗效果尤其明顯。

      本文針對(duì)高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,對(duì)比內(nèi)外層屏蔽結(jié)構(gòu)以及屏蔽層開槽對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。針對(duì)開槽的籠型屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行開槽參數(shù)優(yōu)化計(jì)算,得到轉(zhuǎn)子渦流損耗最低時(shí)籠型屏蔽結(jié)構(gòu)的參數(shù)。最后采用C型鐵心實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)渦流損耗的影響。

      1 屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子損耗的影響

      1.1 單層護(hù)套屏蔽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子渦流損耗分布

      表貼式高速永磁電機(jī)通過添加護(hù)套結(jié)構(gòu)保證永磁體的機(jī)械性能,不同電導(dǎo)率的護(hù)套對(duì)轉(zhuǎn)子的渦流損耗也起到屏蔽作用。

      以一臺(tái)40 kW電機(jī)為例分析各類屏蔽結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響,樣機(jī)主要參數(shù)見表1。為了提高計(jì)算精度,對(duì)永磁體和護(hù)套的外徑處進(jìn)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(jī)的主要參數(shù)

      圖1 有限元模型和網(wǎng)格劃分

      分別對(duì)帶有碳纖維護(hù)套和鈦合金護(hù)套的永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗進(jìn)行分析。在不同轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)子渦流損耗分布如圖2所示。

      圖2 不同轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子渦流損耗分布

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

      從計(jì)算結(jié)果可以看出,電導(dǎo)率較高的金屬護(hù)套對(duì)高次諧波在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的渦流損耗具有屏蔽作用,在轉(zhuǎn)速為15000 r/min時(shí),轉(zhuǎn)子總損耗與碳纖維護(hù)套轉(zhuǎn)子損耗相比降低了12.3%。在轉(zhuǎn)速增大到30000 r/min時(shí),由于金屬護(hù)套電導(dǎo)率高,護(hù)套損耗占比較高且迅速增大,遠(yuǎn)大于碳纖維作為護(hù)套時(shí)永磁體損耗增加量。導(dǎo)致轉(zhuǎn)子總損耗與碳纖維護(hù)套相比增大了31.2%。由此可知,高電導(dǎo)率材料可有效地抑制轉(zhuǎn)子的渦流損耗,但參數(shù)設(shè)計(jì)不合理時(shí),對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗非但沒有抑制作用,反而會(huì)使其顯著增大。

      1.2 屏蔽層結(jié)構(gòu)對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響

      圖3 不同屏蔽結(jié)構(gòu)

      為進(jìn)一步減小高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗,分別對(duì)內(nèi)外屏蔽結(jié)構(gòu)以抑制高次諧波在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生的損耗。結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。其中屏蔽層材料采用銅(電導(dǎo)率為5800000 S/m)和鋁(電導(dǎo)率為3300000 S/m)。在轉(zhuǎn)速為30000 r/min時(shí),轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)損耗分布

      圖5 不同屏蔽層材料對(duì)損耗的影響

      從計(jì)算結(jié)果可以看出,采用屏蔽層結(jié)構(gòu)能有效地抑制轉(zhuǎn)子渦流損耗。碳纖維為護(hù)套、銅為屏蔽層材料時(shí),采用內(nèi)屏蔽層結(jié)構(gòu),使永磁體上的渦流損耗下降了77%,護(hù)套損耗變化較小,轉(zhuǎn)子總損耗降低了17.6%。采用外屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí),由于屏蔽層上的損耗增大導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損耗與內(nèi)屏蔽層損耗相比上升6.9%。采用鋁屏蔽層材料時(shí),轉(zhuǎn)子總損耗降低了6.5%。因此,在選用屏蔽層材料時(shí),高電導(dǎo)率材料對(duì)高次諧波的抑制作用更為明顯。

      當(dāng)鈦合金為護(hù)套,銅為屏蔽層材料時(shí),采用內(nèi)屏蔽層結(jié)構(gòu),護(hù)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(chǎn)生了額外的損耗,是轉(zhuǎn)子總損耗增大了5.6%。采用外屏蔽結(jié)構(gòu)時(shí),護(hù)套損耗降低了31.5%,但外屏蔽結(jié)構(gòu)上產(chǎn)生了大量的渦流損耗。轉(zhuǎn)子總損耗降低了9.2%。采用鋁屏蔽層時(shí),轉(zhuǎn)子總的渦流損耗基本保持不變。由此可以看出,內(nèi)屏蔽層結(jié)構(gòu)對(duì)帶有金屬護(hù)套的電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗難以起到屏蔽作用,且會(huì)使轉(zhuǎn)子損耗增大。外屏蔽層結(jié)構(gòu)對(duì)帶有金屬護(hù)套的電機(jī)可起到屏蔽作用,但由于外屏蔽結(jié)構(gòu)需采用鍍層結(jié)構(gòu),最外層的屏蔽層結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生大量額外的渦流損耗。因此外屏蔽層結(jié)構(gòu)更實(shí)用于高電導(dǎo)率的金屬護(hù)套轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),內(nèi)屏蔽層結(jié)構(gòu)更適用于碳纖維等低電導(dǎo)率護(hù)套結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子。

      2 內(nèi)屏蔽層周向分段對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響

      為了解決帶有金屬護(hù)套的永磁電機(jī)采用內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子總損耗增大的問題,通過采用內(nèi)屏蔽層分段的方法,增強(qiáng)屏蔽層結(jié)構(gòu)渦流反作用進(jìn)一步抑制金屬護(hù)套的損耗,周向分段結(jié)構(gòu)如圖6所示。分段后轉(zhuǎn)子渦流損耗分布如圖7所示。

      圖6 屏蔽層分段結(jié)構(gòu)

      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(dāng)屏蔽層上損耗增加量小于由于渦流反作用導(dǎo)致護(hù)套損耗的減小量時(shí),轉(zhuǎn)子總損耗即會(huì)降低。由計(jì)算結(jié)果可以看出,屏蔽層上損耗增大了73%,金屬護(hù)套的損耗減小了23.3%。但由于屏蔽層上的損耗占比較小,轉(zhuǎn)子總損耗降低了10.3%。接下來(lái)對(duì)屏蔽層分段數(shù)量進(jìn)行分析。不同分段數(shù)量對(duì)轉(zhuǎn)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(shí),屏蔽層渦流回路增多,導(dǎo)致屏蔽層上的損耗迅速增大,導(dǎo)致轉(zhuǎn)子渦流損耗增大明顯。在分段數(shù)量為12段,即在每塊永磁體所對(duì)應(yīng)的屏蔽層區(qū)域分為3段時(shí),轉(zhuǎn)子總損耗達(dá)到最小。

      圖8 屏蔽層分段對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響

      3 屏蔽層結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

      轉(zhuǎn)子渦流損耗采用實(shí)驗(yàn)方法直接測(cè)量較為困難,采用C型鐵心測(cè)試方法可以直接測(cè)出高頻電流對(duì)渦流損耗的影響[18]。本文對(duì)帶有護(hù)套和屏蔽結(jié)構(gòu)的樣品進(jìn)行渦流損耗測(cè)量,以驗(yàn)證屏蔽層對(duì)高次諧波在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生渦流損耗的抑制效果。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9所示。

      通過WT230分別在放置不同樣品時(shí)進(jìn)行損耗測(cè)試,采用測(cè)試線圈測(cè)量反電動(dòng)勢(shì)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(shí)C型鐵心的輸入功率。測(cè)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(tái)得到不同屏蔽層材料和不同護(hù)套材料時(shí)轉(zhuǎn)子渦流損耗的大小如圖10所示。以鈦合金為護(hù)套時(shí),被測(cè)樣品渦流損耗隨屏蔽層分段數(shù)量變化如圖11所示。

      圖10 屏蔽層結(jié)構(gòu)對(duì)樣品渦流損耗的影響

      圖11 屏蔽層分段對(duì)渦流損耗的影響

      由實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出,屏蔽層結(jié)構(gòu)能夠有效地抑制高次電流諧波產(chǎn)生的渦流損耗,將屏蔽層分段后,在采用低電導(dǎo)率的碳纖維護(hù)套時(shí),銅材料內(nèi)屏蔽結(jié)構(gòu)下樣品總損耗相比于無(wú)屏蔽層時(shí)損耗降低18.9%。高電導(dǎo)率的銅屏蔽層與鋁屏蔽層相比損耗降低8.8%。采用高電導(dǎo)率的合金護(hù)套,樣品渦流損耗隨內(nèi)屏蔽層分段數(shù)量損耗先減小后增大,當(dāng)屏蔽層分為3段時(shí)相比于無(wú)屏蔽層降低了17.2%,驗(yàn)證了屏蔽層對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的抑制作用。

      4 結(jié)語(yǔ)

      本文針對(duì)不同屏蔽結(jié)構(gòu)進(jìn)行適用性研究,并提出一種內(nèi)屏蔽層分段的方法。通過在不同護(hù)套時(shí)對(duì)內(nèi)外屏蔽層結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子渦流損耗計(jì)算可以看出,內(nèi)屏蔽層結(jié)構(gòu)適用于帶有低電導(dǎo)率護(hù)套的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu),而外屏蔽層結(jié)構(gòu)適用于帶有高電導(dǎo)率護(hù)套的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。此外屏蔽層電導(dǎo)率越高,屏蔽效果越明顯,在設(shè)計(jì)屏蔽層材料時(shí),需選擇高電導(dǎo)率材料作為轉(zhuǎn)子的屏蔽結(jié)構(gòu)。

      通過將內(nèi)屏蔽層進(jìn)行周向分段,增加了屏蔽層上渦流回路的數(shù)量,屏蔽層上的渦流反作用更為明顯,進(jìn)一步抑制了護(hù)套上的損耗,在高電導(dǎo)率材料作為護(hù)套時(shí),同樣可以對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗起到屏蔽作用,增強(qiáng)了屏蔽層的適用性。但分段數(shù)量過多時(shí)會(huì)增大屏蔽層損耗,使轉(zhuǎn)子總損耗增加,在每塊永磁體對(duì)應(yīng)的屏蔽層區(qū)域分成3段時(shí),轉(zhuǎn)子損耗最小。

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