高速永磁电机设计与分析技术综述.pdf

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高速 永磁 电机 设计 分析 技术 综述
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第 34 卷 第 27 期 中 国 电 机 工 程 学 报 Vol.34 No.27 Sep.25, 2014 4640 2014 年 9 月 25 日 Proceedings of the CSEE 2014 Chin.Soc.for Elec.Eng. DOI:10.13334/j.0258-8013.pcsee.2014.27.011 文章编号:0258-8013 (2014) 27-4640-14 中图分类号:TM 351 高速永磁电机设计与分析技术综述 董剑宁,黄允凯,金龙,林鹤云 (东南大学伺服控制技术教育部工程研究中心,江苏省 南京市 210096) Review on High Speed Permanent Magnet Machines Including Design and Analysis Technologies DONG Jianning, HUANG Yunkai, JIN Long, LIN Heyun (Engineering Research Center for Motion Control of MOE (Southeast University), Nanjing 210096, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: High speed permanent magnet machines (HSPMMs) have a promising future in applications such as aeronautics and astronautics, energy and ultra-precision manufacturing. This paper enumerates various stator and rotor structures and materials of the HSPMM in literature. Then different losses in the HSPMM are summarized in aspects of stator iron loss, copper loss, rotor eddy current loss and air friction loss. Various motor temperature rise calculation methods and three kinds of high speed rotor bearings are compared, followed by an overview of the problems linked to the rotor strength and dynamics analysis. Finally, development trends of the HSPMM related technologies are summarized and prospected. KEY WORDS: high speed permanent magnet machine; high speed bearings; loss analysis; motor design; motor test; thermal analysis 摘要: 高速永磁电机在航空航天、 能源及精密制造等领域具 有广阔的应用前景。 该文首先介绍了现有文献中的高速永磁 电机定转子结构及其所使用的材料; 然后从定子铁耗、 铜耗、 转子涡流损耗与风摩损耗等方面, 分别总结归纳了电机中各 项损耗及其计算方法; 对比分析了各种高速永磁电机温升计 算方法; 概述了高速电机转子支承方式的发展情况。 总结了 转子强度与动力学分析相关的问题, 最后展望高速永磁电机 相关技术的主要发展方向。 关键词:高速永磁电机;高速轴承;损耗分析;电机设计; 电机测试;温升分析 0 引言 与传统电机相比,高速电机无需借助复杂、维 护困难的变速装置,可直接与高速负载或原动机相 连,具有功率密度高、体积小、效率高、可靠性高、 基金项目:国家自然科学基金项目(51377019)。 Project Supported by National Natural Science Foundation of China (51377019). 运行成本低的优点,因此在高速机床1、鼓风机2、 压缩机3、 透平式膨胀机4、 微型燃气轮机5等领域 具有广阔的应用前景,得到了广泛关注。鼠笼转子 异步电机、 实心转子异步电机、 线绕转子同步电机、 永磁电机、感应子电机、开关磁阻电机等均可应用 于高速场合。其中,高速永磁电机(high speed permanent magnet motor,HSPMM)凭借其效率和功 率密度高的优势,应用潜力极大,它涵盖了各种功 率等级的场合,已成为当前国内外电机领域的一个 研究热点。 高速永磁电机的设计、分析与测试虽仍然遵循 基本的电磁原理,但高转速带来的一系列问题需要 进行深入研究,并加以解决,具体叙述如下。 首先,高速永磁电机的功率密度大,定子散热 面积小、损耗密度高;转子要承受高转速带来的离 心力,同时还会因风摩损耗、涡流损耗产生较大的 温升。为了克服这些问题,必须采用不同于传统电 机的定转子材料与结构。 其次,高速永磁电机损耗密度高、转子温升高 的特点也为电机散热设计提出了挑战。准确计算电 机各项损耗是进行散热设计的基础,而高频率下材 料的损耗特性、电机损耗分布均不同于传统电机, 不能直接套用传统方法。永磁体性能受温升影响很 大, 且易因高温失磁, 因此必须准确计算电机温升, 尤其是转子温升。 再次,转子支承问题也是高速电机设计、制造 的难点之一。受离心力、摩擦发热等的影响,普通 电机轴承不能直接用于高速电机。高速滚珠轴承、 空气轴承和磁悬浮轴承等适用于高速场合的轴承 各有优缺点,进行电机设计时必须根据应用场合和 技术条件对比选择。 第 27 期 董剑宁等:高速永磁电机设计与分析技术综述 4641 最后,高速电机的转子要承受很大的离心力和 一定的热应力,而永磁体的抗拉强度往往较低,因 此必须进行转子的强度分析。高速电机的转子支承 系统比较复杂,高转速下转子易因不平衡和共振产 生较大的振动,甚至会使转子严重变形,威胁人员 和设备的安全,因此,必须进行转子动力学分析。 综上所述,进行高速永磁电机的设计与分析 时,在定转子结构设计与强度分析、损耗与温升分 析、转子支承设计、转子强度与动力学分析等方面 都不能照搬传统电机相关的技术,必须加以创新。 本文首先介绍了现有的高速永磁电机定转子结构 与材料,然后依次从损耗分析、温升计算、转子支 承、转子强度与动力学分析这 4 个方面归纳和总结 了国内外高速永磁电机的研究现状,分析了相关的 关键技术,最后讨论了未来高速永磁电机相关技术 的主要发展方向。 1 定转子结构与材料 1.1 定子结构与材料 高速电机的定子上产生了大部分的损耗,同时 提供了最有效的散热通道。转子损耗大小也与定子 结构直接相关。因此,定子材料与结构是高速永磁 电机研究的重点之一。 高速永磁电机转速高,为限制工作频率,极对 数一般选为 1 或 2。当电机功率较高,转速稍低时, 也可选择较高的极对数3。极对数选为 1 时,常采 用如图 1 所示的定子轭部内外都开槽的冲片结 构6。在这种结构的定子中,绕组环绕在电机轭部, 极大地减小了端部长度以及转子所需长度,提高了 转子刚度。同时,内外槽中除绕组区域外的空间均 可作为散热风道,提高了定子散热能力。但在电机 外槽 内槽 内齿 外齿 轭部 绕组 转子 图 1 采用环形绕组的定子结构 Fig. 1 Structure of the ring wound stator 采用水套冷却时,外槽的存在会增大叠片的径向热 阻,降低其散热效率。国内的沈阳工业大学6、哈 尔滨理工大学7-8、哈尔滨工业大学9、北京交通大 学10等科研院所以及国外的一些科研机构11-12对 采用这种定子结构的高速永磁电机进行了深入研 究,重点分析了其电磁性能和温度场分布。当电机 极对数大于或等于 2 时,环形绕组会显著增加电枢 绕组长度,因此较少采用。 电机高速旋转时,定子齿槽会增大转子中的涡 流损耗,而转子散热又非常困难。因此,为抑制定 子开槽引起的转子损耗,有槽高速永磁电机常采用 较大的气隙长度,一般为传统电机的 510 倍13; 另一种解决方法是采用无槽定子。无槽高速永磁电 机的电枢反应小,降低了转子损耗和去磁风 险1,14-17。在用作发电机时,无槽电机定子绕组电 感小, 有利于降低端电压脉动, 提高系统稳定性18。 采用新型定子材料也是提高高速永磁电机性 能的一种有效途径。高速电机的定子冲片通常采用 厚度在 0.2 mm 及以下的无取向硅钢片19。目前, 国内此类硅钢片的牌号有武钢的 WTG-200、 WTG-150 以及宝钢的 B20AT1200、 B20AT1500 等。 国内也有部分科研单位采用取向硅钢片,此时,定 子叠片应相互错开一定角度,以抵消硅钢片各向异 性对电机性能的影响20。 随着相关技术和工艺水平的提高,近年来非晶 合金在高速电机定子中的应用越来越广泛21-22;但 由于其质硬而脆,目前尚未有成熟的批量制作形状 复杂的非晶合金冲片的技术,因而采用非晶合金定 子的电机多采用简单的无槽结构。软磁复合(soft magnetic composite,SMC)材料也受到了广泛关注。 与冷轧硅钢片相比, SMC 材料的磁导率很低, 在高 磁通密度或低频率的应用中铁耗较高。但其铁耗主 要是磁滞损耗,与频率基本上呈线性关系,在频率 较高时铁耗较一般硅钢片低。定子采用 SMC 材料 的高速永磁电机工作磁密一般较低,结构通常有无 槽结构15,23和爪极结构24。 为降低定子绕组中因导体的集肤效应和邻近 效应造成的附加损耗,高速永磁电机的定子绕组须 采用许多根较小直径的细导线并联绕制25-26。由于 绕组匝数往往较小,而每匝线圈的总截面积较大, 导体在槽内位置的不同会导致每匝导体匝链的磁 通不等,从而导致相电感不对称以及内部环流。为 此,有必要对导体进行交叉换位。在电机容量较大 时,也可以采用罗贝尔线棒27。当采用无槽定子结 4642 中 国 电 机 工 程 学 报 第 34 卷 构时,绕组也会受电机主磁场影响而产生涡流损 耗。因此,无槽高速永磁电机定子绕组常采用单根 直径极小的 Litz 线绕制16,28-29。 1.2 转子结构与材料 除了电磁性能以外,高速电机的转子结构与材 料直接影响了最高转速和振动水平,这也是高速电 机设计与分析的关键环节30。 高速电机转子必须具 有足够的强度,确保转子部件不被因高速旋转产生 的离心力破坏;必须具有良好的动态性能,确保转 子结构不会因振动产生大的变形;必须能够在不同 的温度下安全稳定运行,不出现因热膨胀引起的动 平衡和结构破坏问题。此外,为防止转子永磁体因 高温失磁,高速永磁电机还必须有较低的转子损耗。 高速永磁电机的等效气隙较大,为产生足够的 磁场,通常采用具有较高矫顽力的钕铁硼(NdFeB) 或钐钴(SmCo)永磁材料。 表 1 给出了这两种永磁材 料的典型性能。从表 1 可以看出,相对于 NdFeB 材料,SmCo 材料具有较小的温度系数和较高的工 作温度,更适合应用于对温度稳定性要求较高或环 境温度高、转子散热困难的场合。这两种材料都具 有较高的抗压和抗挠强度,但抗拉强度非常低,因 此必须采用具有较高强度的材料和特殊的结构保 护其免受离心力的破坏。 表 1 NdFeB 与 SmCo 永磁材料的典型性能 Tab. 1 Typical properties of NdFeB and SmCo Magnets 性能参数 NdFeB SmCo 剩磁密度 Br/T 1.031.30 0.821.16 矫顽力 Hc/(kA/m) 8751 990 4931 590 Br温度系数/(%/K) 0.110.
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