高溫潛油永磁同步電機的設計與損耗計算

摘 要：在異步潛油電機的基礎上，設計一臺高溫潛油永磁同步電機，并對其損耗進行了計算，同時對電機的氣隙磁密波形進行了探究。由于氣隙中的磁通密度分布在很大程度上影響著鐵心損耗和感應電勢等電磁參數，因此氣隙磁通密度波形的優劣直接影響電機的性能。利用ANSYS Maxwell有限元軟件進行了仿真，并通過仿真結果得出Halbach磁體結構分段充磁方式能使氣隙諧波明顯減少，氣隙磁密波形接近于正弦形。

關鍵詞：高溫潛油永磁同步電機；損耗計算；氣隙磁密；Halbach磁體結構

引言

作為高溫永磁潛油電機的工作溫度可達200℃以上[1]。潛油電機在這種高溫的工作環境下會影響材料的導電導磁性能和電機的絕緣強度，從而直接影響著電機的各相運行性能。如果電機設計的不合理，造成潛油電機的溫升過高，就有可能使永磁體產生不可逆退磁，加速電機的絕緣老化，使電機性能降低，甚至燒毀電機[2]。因此，文章的研究在理論與實際方面均具有重要意義。

1 永磁材料的選取

本課題由于電機的工作在高溫環境下，因此要保證永磁體磁性能的穩定性。在各類永磁材料中，室溫性能最高的永磁材料是NdFeB（釹鐵硼），它的居里溫度可達到312℃，但最高使用溫度比較低，一般不超過200℃，不能滿足本課題的條件；而AlNiCo（鋁鎳鈷）永磁材料的居里溫度較高，可達到860℃，其最高使用溫度超過了500℃，完全能承受潛油電機的工作溫度，但磁體的矯頑力比較低；SmCo（釤鈷）永磁材料的居里溫度在750～920℃之間，最高使用溫度為350℃左右，且它的磁晶各向異性強、室溫矯頑力高[3-4]。綜合來看，SmCo永磁材料是高溫永磁材料的最佳選擇。因此本次電機設計中所選的是SmCo28永磁材料，其性能參數如表1所示。

2 損耗計算分析

由于損耗是潛油電機的熱源，而電機的溫度場計算結果的準確性是與電機損耗計算的準確性直接相關[5-6]。以下對電機的繞組銅耗、鐵耗、機械損耗分別計算。

2.1 定子基本銅耗的計算

2.3 機械損耗的計算

由于潛油電機氣隙中充有電機專屬冷卻潤滑油，因此產生的機械損耗不但有扶正軸承，止推軸承與潤滑油之間的摩擦損耗，還包括了電機轉子和潤滑油的摩擦損耗[8]。其中，最主要的損耗是轉子與潤滑油之間的摩擦損耗。

2.3.1 轉子和潤滑油的摩擦損耗

2.3.2 扶正軸承的摩擦損耗

潛油電機在一些情況下不可避免的使電機定轉子氣隙存在一定的不均勻（比如裝配時存在零件公差和人為因素等情況）造成定轉子相對偏心，從而產生摩擦損耗Pf，可按公式（10）計算軸承的損耗：

3 基于ANSYSMaxwell有限元軟件仿真

3.1 采用常規徑向充磁

由圖3可以看出采用普通徑向充磁的表貼式電機的波形近似于矩形波。

通過傅里葉變換，氣隙中含有3、7、9、11次諧波。

3.2 Halbach磁體結構分段充磁

圖4中轉子上總共有20塊永磁體并逆時針標號，其中1對應1號永磁體，充磁沿X軸負方向，然后一直到第20號永磁體，其相鄰兩塊永磁體的充磁方向上相差角度為36°。

通過圖2與圖5對比，可以看出與普通徑向充磁方式對比，氣隙波形明顯改善近似正弦，且氣隙磁密得到提高。

從圖6中可以直觀的反映出基波磁密得到增強，而其他次諧波明顯減弱。

4 結束語

文章對高溫潛油永磁電機的損耗進行了計算，為電機溫度場的分析做了鋪墊。并研究了潛油永磁同步電機的氣隙磁場分布情況，得出永磁潛油電機氣隙磁場近似矩形波而并非理想的正弦波，其中的空間諧波幅值較大，造成鐵心損耗的增大，使電機的效率降低。通過采用Halbach磁體結構分段充磁方式，諧波含量明顯減少，氣隙波形明顯改善，氣隙磁密得到提高。對Halbach陣列永磁同步電機的磁場分布的研究，有利于分析高溫潛油永磁同步電機的內部損耗以及感應電勢、電磁轉矩等工作特性，為潛油電機溫度場分析提供了有力的條件。

參考文獻

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[3]唐勇斌，郝曉宇，揭軍，等.耐高溫永磁電機發展現狀與關鍵技術[J].導航定位與授時，2016，3，3（2）：65-70.

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[8]徐永明.潛油電機機械損耗及隔磁段電磁參數計算分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2008.

[9]范堅堅，吳建華，李創平，等.分塊式Halbach型磁鋼的永磁同步電機解析[J].電工技術學報，2013，3，28（3）：35-42.

作者簡介：白山（1959-），男，教授級高工，碩士生導師，研究方向為特種電機及其控制。

王玉龍（1989-），男，碩士研究生，研究方向為電機及其控制技術。