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高速永磁电动机设计的关键问题
黄允凯!余!莉!胡虔生
!东南大学电气工程系"南京!’*++‘-
#摘!要!高速电机具有功率密度大!尺寸小!响应快!可直接与高速机械设备连接等优点"永磁电机因其高效率!高功率因数等特点成为高速电机研究的热点"该文详细讨论了高速永磁电机设计应考虑的关键问题#包括材料选取!铁耗计算方法!转子结构和轴承选取等"关键词!高速$永磁电机$材料$铁耗$轴承$设计 9%0A B C4#C 0A D %*)(A #C 0E #*F A B G H ’I %%DJ %*K )C %C (L )B
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4收稿日期!’++-,+$,**
国家自然科学基金资助项目"编号$(+$]]+’*
:!引!言
高速电机!转速大于*’+++I &M <4#与普通电机相比较"具有功率密度大’几何尺寸小’转动惯量小’响应快等优点"广泛应用于航空航天’飞轮蓄能’电动工具’离心压缩机’微汽轮发电机等领域(电机转速从两万转到二十多万转"并且应用领域仍在不断扩大(目前高速电机的类型主要为异步电机’永磁电机’开关磁阻电机和交流换向器电机(表*中列出了它们作为高速电机使用时的优缺点(本文介绍高速永磁电机设计时应考虑的关键问题"着重介绍与一般永磁电机设计不同之处"包括主要尺寸’极数选择’定转子材料’铁耗计算和轴承选用等问题(无人机防御系统
表*!不同类型电机作为高速电机使用时的优缺点电机类型
优点缺点异步电机
易起动"余热制冷
低成本"
不需位置传感器(气隙较小"功率因数较低"
高频驱动时转子损耗大(
永磁电机气隙较大"
功率因数高"效率高"
结构多样(
转子强度较低"需位置传感器"高速运行时需要弱磁控制(开关磁阻电机
转子结构简单"转子损耗低(
气隙较大"
功率因数较低"风耗及噪声较大"需要位置传感器
交流换向器电机
无需电力电子器件(
需要电刷"有火花"转子结构复杂(
;
!材料的选取
;>;!铁心材料
在高速永磁电机中"由于工作频率较高"定子铁
)
-)万方数据
心损耗成为主要损耗!对电机的效率和发热性能具有主导的作用"所以在成本许可的条件下!一般选择比较薄且比损耗较低的优质硅钢片!如各向同性#^硅含量的+&*.M M的硅钢片"如果成本要求严格!可以考虑采用软磁复合材料"它采用粉末冶金技术制造!由表面绝缘的金属粉末颗粒组成!可以一步压制成具有复杂形状的部件!并具有良好的各向同性磁性能"材料的物理结构决定它的涡流损耗很小!但磁滞损耗比一般硅钢片要大!所以它适合应用在高频场合下"图*是6_*!条件下!软磁复合材料铁耗与一般硅钢片的比较图"生产过程中!它通过模具压制形成部件!而硅钢片是通过切片叠压而成!在大规模生产条件下!它可以节约大量成本"
图*!软磁复合材料与普通硅钢片铁耗比较
;><!永磁材料
为了减小高速电机的尺寸!通常选择高性能的永磁材料!如烧结的8L23P和O M H E"高速永磁电机中!除了铁耗较大之外!摩擦损耗和风耗也相应较高!再加上工作环境的限制!转子不易散热!所以永磁体工作温度较高"而温度对永磁材料性能的影响很大!所以一方面在选择材料时要着重考虑永磁材料的温度稳定性"另一方面要进行准确的温升计算"表’中列出了几种常用烧结8L23S的磁性能"
表’!常用烧结8L23P的磁性能
牌号剩磁#!矫顽力#X)#M最高温度#h
8#(*&*..(‘.+
8#("*&+‘.](*++模具水嘴
8#+O0*&+‘.*’*(+
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<!定子铁耗
高速永磁电机的定子结构与普通永磁电机并没
有区别"由于工作频率较高!定子铁耗要比铜耗
大!所以准确计算铁耗至关重要"一般永磁电机铁耗的计算仍采用交流异步电机的方法$**%"假设气隙磁密为正弦形!按式&*’进行计算"
!0F3(+_-D(7D%-Q(0Q(7Q&8’&*’
!0F3_0F3(+(&5#(+’*&#&6’&’’式中!0
D
和0
Q
分别根据铁磁材料损耗曲线查得的
齿部和轭部铁耗!7
D
和7
Q
为齿部和轭部的体积! -D和-Q为齿部和轭部铁耗计算的经验系数"Y F3(+是根据(+0U铁磁材料损耗曲线计算出的铁耗"当电机工作频率不是(+0U时!又无法得到相应频率下的损耗曲线时!可根据经验公式&’’进行计算"
这种方法比较粗糙!对于工作频率较低的永磁电机勉强适用!但高速永磁电机!由于工作频率较高!硅钢片在高频下的损耗曲线难以获得!且气隙磁密并不一定按正弦分布!这种方法的误差较大"
按照P3I D E D D<；分立铁耗计算模型$$%$(%!铁磁材料的损耗可以分为磁滞损耗)经典涡流损耗和异常涡流损耗"如不考虑局部磁滞环!可以写成*
!
0F3_0;%0H G%03R&6#X5’
0;_-;56#M
0H G_’&-H G5’*’&+L6&"’
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/&-3R5*&(*’&+L6&"’
L"
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#
$
%
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式中!0
F3
为铁耗+0
;
为磁滞损耗+0
H G
为经典涡流损
耗+0
3R
为异常涡流损耗+-
;
和$为磁滞损耗系数+ 5为交变磁场波的频率+6M为磁场波的幅值+-H G_
&’%’’#*’M
T
为经典涡流损耗系数!其中’)%)/
T 分别为硅钢片的电导率)厚度和密度+6&"’为硅
钢片的磁通密度波+-
3R
为异常涡流损耗系数"
通过时步法有限元计算!可以得到一个电角度周期内的磁密波形"关键是各项损耗系数的确定"目前硅钢片的出厂数据都是采用标准’(H M爱泼斯坦方圈测试的$-%"图’是经改进后的测试系统"硅钢片中磁密是交变的!即方向不变!大小按照正弦规律变化"从这些数据里推导出的铁耗系数适合在交变磁化条件下硅钢片铁耗计算"但是电机定子上的磁化情况比较复杂!有些是交变磁化!有些是圆形或者椭圆形旋转磁化!即磁密的大小和方向都发生改变"图#是*台’极-槽高速永磁电机齿部)齿轭交界)轭部#点的磁密变化图"在旋转磁化条件下!铁耗的计算系数与交变磁化条件下是不同
,
]
,
万方数据
压延膜的!但是由于缺乏旋转磁化条件下铁耗测试装置"]#!很多情况下可以将旋转磁化分解成9$：两个方向上
的交变磁化进行计算".,‘#!或者进行适当的简化!将两个方向上的磁密变化简化成一个方向上"*+#!再用公式%#&和交变磁化条件下的铁耗计算系数进行计算’
图’!’(H M爱泼斯坦方圈测试系统
图#!定子铁心上#点磁密变化散点图
图$!\6#*+,#(硅钢片在各频率的损耗曲线
图$是\6#*+,#(硅钢片在不同频率下的损耗曲线’根据这些数据可以计算出各项系数为(-
;_ +&+’+$!$_*&]]$‘!-H G_’&].3,-!-3R_#&+-3,(’=!转子
=>;!转子尺寸
电机转矩正比于转子直径%的平方与转子长度；之积’高速旋转的转子要承受较大的离心力!所以对转子直径有严格地限制’对以角速度<；旋转的转子!它所承受的最大应力为(
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M J R
_(<’%’
#b’=
#’%*b’=&
%$&式中!(为材料密度!=为Y E<C C E4系数’从离心力的角度看!转子直径应该越小越好!但也不能太小!因为细长型电机的转子强度可能不够’除了转矩外!转子的谐振频率也直接与尺寸相关’在设计时应将谐振频率合理地避开电机的工作频率’所以在设计高速电机转子要进行准确的电磁和机械计算!还应参考现有高速轴承产品的尺寸’
=><!极数
电机极对数的选择与多方面的因素有关!涉及到对转速$功率$转矩$成本等因素’多极数电机和少极数电机各有利弊!必须综合考虑’少极数的优点是便于加工制造!铁心的利用率高!缺点是每极磁通相对较大’为使轭部磁路不致过于饱和!必须具有足够的轭部厚度’多极数电机优缺点刚好与少极数电机的相反’
从铁耗的角度看待极数的选择!极数少!工作频率低!但电机尺寸相应要比多极数的电机大一些!所以不能一定说极数少铁耗就一定小!要根据转速要求和铁心磁密大小来选择’例如#+X)I* M<4b*电机采用\6#*+,#(硅钢片!在不同极数不同磁密下的铁耗值%6)X5&列在表#中’
焗炉表#!\6#*+,#(在不同频率不同磁密的铁耗
6_*!6_*&’!6_*&$!
’极%(++0U&’-&‘#]&](+&#
$极%*+++0U&.#&-**.&’*(.&$
-极%*(++0U&*-‘&$’$+&’#’’&‘
!!除铁耗外!极数越大!功率器件的开关次数越多!开关损耗增加’但极数多的电机!转矩密度大’所以在(+X)I*M<4b*以下的电机仍有采用$极的!再高转速的电机基本都采用’极’
=>=!转子拓扑结构
转子的结构直接决定了气隙磁场的波形和大小’在永磁电机的设计中已经积累了一些典型的转子结构"*,##’这些典型的转子结构经历了实践的检验’同样体积的永磁体!表面贴装式结构可以获得最大出力!但转子在高速旋转时!通常需要对永磁体进行保护!以免脱落!可以用碳纤维捆扎或者用
+
.
+万方数据
不锈钢的保护套!内嵌式结构不需要永磁体的保护措施"但转子加工复杂!目前高速永磁电机中多采用表面贴装式!
?!轴承
轴承对高速电机的性能有着重要的影响!以下几种轴承常用于高速场合#深沟球轴承或角接触球轴承$液体或气体润滑轴承$磁悬浮轴承!
深沟球轴承和角接触球轴承属于滚动轴承"由于成本低及可靠性高被广泛用于高速场合!近年来工程陶瓷材料发展迅速"它具有耐磨$耐高温$耐腐蚀$无磁性$低密度$低膨胀系数及弹性模量大等特点!采用陶瓷材料作为滚动体的深沟和角接触轴承更适合高速$高精度的场合"它的%
M
%1值
最高可达$i*+-&M Mi I’M<4("其中%
M
为轴承的中半径"1为转速!
液体和气体润滑轴承都是基于流体润滑理论"利用液体或气体的弹性垫来起支撑作用!与滚动轴承相比"它无摩擦$效率高$寿命长"能适合更高的转速"但成本较高!
磁悬浮轴承近年来得到了飞速的发展!它利用磁场力支撑物体"无摩擦$不需润滑"而且不受使用环境的限制"可以动态调节阻尼$刚度和平衡!目前"常用的主动式磁悬浮轴承系统由绕组$位置传感器$功率系统和控制系统组成!为了保持转子稳定高速旋转"需要进行(轴控制"即需要两个径向轴承和一个轴向轴承!磁悬浮轴承体积较大"控制复杂"且需要电力$传感器等的支持"整个系统成本较高!
@!总!结
本文着重介绍了高速永磁电机设计过程中与普通永磁电机不同之处"主要是在材料选择$铁耗计算$转子结构和轴承选择方面!设计中还应将电磁场$热场和机械结构进行综合分析"并且考虑设计参数"特别是电感对控制系统的影响"最后得出合理的设计方案!
参考文献
)**!唐任远W现代永磁电机理论与设计)"*W北京#机械工业出版社"*‘‘]W
)’*!李钟明"刘卫国"刘景林W稀土永磁电机)"*W北京#国防工业出版社"*‘‘‘W )#*!@WZW034L3I C;E D"!W@W7W"<G G3I W\3C<54E FP I:C;G3C C Y3I M J434D,"J543D"E D E I C)"*W K G J I34L E4Y I3C C"1R,
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)***!陈世坤W电机设计)"*W北京#机械工业出版社"*‘‘]W
作者简介!黄允凯&*‘]]b("男"博士研究生"主要从事特种电机理论分析及设计开发等研究!
胡虔生&*‘$’b("男"教授"从事现代特种电机理论分析与设计$电气检测与电机故障诊断等研究!
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