通用型永磁同步屏蔽電機電磁設計

倪有源，余長城，黃 亞

(1.合肥工業大學，合肥 230009; 2.工業節電與電能質量控制省級協同創新中心，合肥 230601)

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通用型永磁同步屏蔽電機電磁設計

倪有源1,2，余長城1，黃 亞1

(1.合肥工業大學，合肥 230009; 2.工業節電與電能質量控制省級協同創新中心，合肥 230601)

利用三維瞬態有限元法設計了不同功率的通用型永磁同步屏蔽電機。該電機為整體式永磁轉子，極弧系數為1，無轉子鐵心，結構簡單。由于二維有限元法無法計算繞組端部漏感，為此采用三維有限元法。考慮到生產成本，在沒有改變定子鐵心和轉子的基礎上，保持額定電壓及額定轉速不變，僅通過改變定子繞組的匝數和線徑，從而改變了三相感應電動勢，并設計了不同功率的永磁同步屏蔽電機。利用三維瞬態有限元法計算出不同功率電機的各種損耗及效率等性能參數。最后，樣機實測結果與計算結果一致，驗證了計算結果的正確性。

永磁屏蔽電機；三維瞬態有限元法；渦流損耗；屏蔽套

0 引 言

管道屏蔽電泵具有安全環保以及壽命長等優點，廣泛用于各類液體循環領域中[1]。屏蔽電泵使用的電機為屏蔽電機，主要是為了滿足工業中要求的無傳輸液體泄漏而設計的[2]。

屏蔽電泵工作時電機的本體完全處于傳輸的液體中，為了將電機的電氣部分和傳輸液體隔離開，在電機的定子內層和轉子外層各加入一層屏蔽套，將電機的定轉子屏蔽隔離，因此稱之為屏蔽電機[3]。

屏蔽電機的種類很多，早期使用的大多是感應屏蔽電機[3-5]。但是感應屏蔽電機普遍效率較低，不符合國家環保節能政策，有逐漸被淘汰的趨勢。近年來隨著永磁材料的日益發展以及節能標準的不斷提高，永磁屏蔽電機應用越來越廣泛。使用永磁體不僅可以減少屏蔽電機的損耗，提高電機的效率，而且電機還具有較高的功率因數[6-7]。

根據控制方式不同，永磁屏蔽電機可分為永磁同步屏蔽電機和無刷直流永磁屏蔽電機。本文研究了小功率通用型永磁同步屏蔽電機的電磁設計。該電機為永磁轉子，極弧系數為1，無轉子鐵心。考慮到生產成本，在不改變定子鐵心和轉子的前提下，并且保持額定電壓及額定轉速不變，僅通過改變定子繞組的匝數和線徑，并利用三維瞬態有限元法設計出不同功率的永磁同步屏蔽電機。最后樣機實測結果與計算結果的一致性較好，驗證了計算結果的有效性。

1 永磁屏蔽電機的結構

1.1 電機結構

通用型永磁屏蔽電機的三維結構如圖1所示。它采用6槽4極的結構，具有結構簡單、成本低等優點。由于采用永磁勵磁，無轉子鐵耗，故效率較高。其主要結構參數如表1所示。定子鐵心硅鋼片牌號為50W470。

(a)定子(b)轉子

圖1 通用型永磁屏蔽電機模型

1.2 永磁體

為了克服傳統雙凸極永磁電機轉子牢固性差的缺點，將轉子設計成圖1(b)所示的4極結構形式。這種結構的永磁極弧系數為1，無轉子鐵心，結構簡單，易于制造，且成本低，非常適合用于永磁屏蔽電機中。

永磁屏蔽電機通常都采用鐵氧體或者釹鐵硼作為永磁體材料。但由于釹鐵硼材料價格較高且不耐高溫，所以選用鐵氧體作為永磁屏蔽電機轉子磁體的材料。

1.3 定子

永磁屏蔽電機的定子由鐵心和三相繞組組成。鐵心由硅鋼片疊壓而成，三相繞組采用星形連接。 由于轉子永磁體采用圖1(b)所示的結構形式，為了減少漏磁，所以定子采用圖1(a)的結構，即在定子的磁極加上極靴。

1.4 屏蔽套

屏蔽電機的定子內層和轉子外層均套有一層屏蔽套，起到隔離與保護電機的作用。定轉子的屏蔽套宜采用非磁性以及耐腐蝕的材料。為此選用304不銹鋼作為屏蔽套的材料。這種材料的電阻率為0.73×10-6Ω·m，密度為7.93×103kg/m3。

1.5 轉軸

由于永磁屏蔽電機工作環境中會遇到泥沙之類的堅硬固體顆粒，所以選用氧化鋁陶瓷作為轉軸材料。這種材料具有機械強度高、耐高溫、成本低以及壽命長等優點，非常適合用于屏蔽電機的轉軸。

2 電機三維磁場與繞組電感

在額定電壓和定子鐵心相同的情況下，定子繞組電阻值越小，電磁轉矩就越大。為此在滿足槽滿率的前提下，只需改變定子繞組匝數和線徑，于是改變了定子繞組的電阻值，從而改變了輸出功率。表2中列出了3臺不同功率電機的繞組數據。

表2 不同功率電機的繞組數據

由于永磁屏蔽電機的軸向長度較短，造成端部電感比例較大。而二維有限元法不能計算端部漏感，為此采用三維有限元法。三維有限元法在不同場合的原理各不相同[8]。在三維瞬態有限元方法中，采用式(1)求解:

(1)

式中：A為磁矢位；Js為電流密度；v為物體的運動速度；σ為介質電導率。

利用三維有限元法對永磁屏蔽電機進行電磁場分析，得到定轉子的磁密分布矢量圖如圖2所示。

(a)定子磁密分布(b)轉子磁密分布

圖2 永磁屏蔽電機的磁密分布矢量圖

電感是電機重要的參數之一。電感與磁鏈的關系[9]滿足式(2):

(2)

式中：Ψa，Ψb，Ψc為各相繞組的全勵磁磁鏈；L為每相繞組自感；M為兩相繞組之間的互感；Ψf為永磁體產生的磁鏈；I為相電流；θ為轉子的直軸軸線和a相繞組軸線的夾角。

通過電磁場計算，得到電機C的三相繞組磁鏈波形如圖3所示。由式(2)，得到一個周期內3臺電機的每相繞組自感波形如圖4所示，兩相繞組之間的互感波形如圖5所示。

圖3 電機C的三相繞組磁鏈波形

圖4 3臺電機每相繞組的自感

圖5 3臺電機兩相繞組的互感

3 永磁屏蔽電機的損耗

3.1 水摩擦損耗

穩態運行時，永磁屏蔽電機的主要損耗包括定子繞組銅耗、定子鐵心損耗、屏蔽套損耗以及水摩擦損耗等。前幾種損耗可以通過三維有限元法得出。轉子的水摩擦損耗可由式(3)計算得到:

(3)

式中：k2為介質的稠度、重度有關的系數，水介質一般取1.15；L2為轉子屏蔽套的長度；n為轉子的轉速；D2為轉子的外徑。

由式(3)計算，可得到水摩擦損耗為0.479W。

3.2 定子繞組銅耗及三相感應電動勢

電機繞組的銅耗在電機損耗中占有較大的比重，因此在分析電機時必須加以考慮。由式(4)得出3臺電機定子繞組的銅耗，并列于表3中。

(4)

表3 3臺電機的銅耗

利用三維有限元法，得到3臺電機的三相感應電動勢波形如圖6所示。

(a)電機A(b)電機B

(b) 電機C

3.3 定子鐵耗和屏蔽套損耗

電機的定子鐵耗需要精確計算。利用三維有限元法以及式(5)，得到3臺不同功率電機的鐵耗波形，如圖7所示，并將其結果列于表4中。

(5)

式中：Kh為磁滯損耗系數；Ke為渦流損耗系數；Kc為附加損耗系數；Bmax為磁密的最大值；f為電流頻率。

圖7 3臺電機的鐵耗波形

表4 鐵耗和屏蔽套渦流損耗

永磁屏蔽電機有別于其他電機的損耗就在于屏蔽套損耗[3]。定子屏蔽套渦流損耗可由式(6)計算。

(6)

式中：k1為鐵心長度對極距的比值相關的系數；kp為與極數相關的系數；Bm為氣隙磁密幅值；ω為轉子同步角速度；δ1為定子屏蔽套厚度；L1為定子鐵心長度；Di1為定子內徑；ρ為屏蔽套的電阻率。

式(6)稱為經驗公式，需要的假設包括：忽略屏蔽套的漏抗；屏蔽套的厚度要比直徑小得多；磁通為正弦波，只考慮氣隙磁場的基波分量；忽略屏蔽套在定子以外的端部電阻。

轉子屏蔽套的渦流損耗雖然數值較小，但是也需要精確計算。

考慮到經驗公式有這些弊端，因此采用三維有限元法進行磁場計算。在獲得永磁同步屏蔽電機磁場分布和渦流分布的前提下，定轉子屏蔽套的渦流損耗：

(7)

式中：Ji為單元渦流密度；Δili為單元體積；σB為屏蔽材料的電導率；Ne為剖分單元的總數。

利用三維瞬態有限元法，得到電機C的定子屏蔽套渦流損耗的分布,如圖8所示。3臺電機屏蔽套總渦流損耗波形如圖9所示。鐵耗和屏蔽套渦流損耗如表4所示。

圖8 定子屏蔽套的渦流損耗分布圖

圖9 3臺電機的屏蔽套總渦流損耗波形

4 永磁屏蔽電機的電磁轉矩和效率

利用三維有限元法，可得到3臺電機分別對應的電磁轉矩波形如圖10所示。從圖10可以看出，隨著定子電阻的增加，定子電流減小，從而電磁轉矩也相應減小。

圖10 3臺電機的電磁轉矩波形

電磁轉矩與電磁功率關系式：

(8)

電機額定轉速為3 000r/min。由式(8)，可得到3臺電機的電磁轉矩和電磁功率，如表5所示。

效率是電機設計的重要指標之一[10]。由式(9)和式(10)，可以得出3臺不同功率電機的效率，并列于表6中。

(9)

(10)

式中：pB2為轉子屏蔽套的渦流損耗。

表5 3臺電機的電磁轉矩和電磁功率

表6 3臺電機的效率

5 樣機測試

在理論計算的基礎上，制作了樣機。圖11是制作的樣機C實物圖片。

圖11 永磁屏蔽電機樣機

該樣機在額定負載、額定頻率下運行，利用示波器測量該樣機的相電壓和相電流，利用測功機測量樣機的輸出功率和功率因數，于是獲得電機效率等參數。并利用數字電橋法測量繞組電感參數。結果列于表7中。可以看出，計算結果和實測結果一致，驗證了計算結果的有效性。

表7 樣機C的計算值和實測值

6 結 語

永磁屏蔽電機廣泛用于管道屏蔽電泵中。本文采用三維有限元方法設計了通用型永磁同步屏蔽電機。該類永磁屏蔽電機無轉子鐵心，永磁極弧系數為1，成本低，結構簡單易于制造。考慮到生產成本，在沒有改變定子鐵心和轉子的前提下，并且保持額定電壓及額定轉速不變，僅通過改變定子繞組的匝數和線徑，設計了不同功率的永磁同步屏蔽電機。利用三維瞬態有限元法計算了3臺不同功率電機的各種損耗及效率等性能參數。最后，樣機實測結果與計算結果一致，驗證了計算結果的正確性。

[1] 黃亞.新型永磁屏蔽電機本體與控制系統研究[D].合肥：合肥工業大學,2014.

[2] LI Weili,ZHANG Xiaochen,CHEN Wenbiao.Numerical analysis of thermal behavior of canned motor[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics,Vigo,2007：1189-1194.

[3] 趙博.實心轉子屏蔽電機電磁參數計算與性能分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學,2008.

[4] 楊通.籠型實心轉子屏蔽電機電磁場有限元分析與計算[D].武漢：華中科技大學,2006.

[5] 張建濤.雙屏蔽復合轉子電動機渦流損耗計算與性能分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學,2009.

[6] 周明榮.永磁屏蔽電泵電磁場有元分析及其屏蔽套渦流損耗計算[D].杭州：浙江工業大學, 2004.

[7] AN Yuejun,LIU Guoming,WANG Peng.Magnetic force analysis and experiment of novel permanent magnet axial thrust balance structure in canned motor pump[C]//The 2nd International Conference on Advanced Computer Control, Shenyang, China,2010:396-398.

[8] 楊玉波.變極永磁同步電動機研究[D].濟南：山東大學, 2007.

[9] 湯蘊繆.電機學[M].北京：機械工業出版社,2008:222-226.

[10] 顧繩谷.電機及拖動基礎[M].北京：機械工業出版社,2008:167-192.

Electromagnetic Design of Permanent Magnet Synchronous Canned Motors

NIYou-yuan1,2，YUChang-cheng1，HUANGYa1

(1.Hefei University of Technology，Hefei 230009，China;2.Collaborative Innovation Center of Industrial Energy-Saving and Power Quality Control，Hefei 230601，China)

Different powers of general type permanent magnet synchronous canned motor were designed using a three dimensional (3D) transient finite element method (FEM). The permanent magnet motor has a pole arc coefficient of unity, no rotor iron core, and a simple structure. Because the leakage inductance of the winding end can not be computed using a two dimensional (2D) FEM, a 3D FEM is used. Considering manufacture cost, on the basis of no change of original stator core and rotor, only by changing the number of winding turns and wire diameter, three different powers of general permanent magnet canned motors were designed with the same voltage and speed. In addition, the performance parameters of three different powers of motors were derived using the 3D FEM, including all kinds of losses and efficiency. Finally, the measured results are consistent with the calculation results for the prototype, which verified the correctness of the calculation results.

permanent magnet canned motor; 3D transient FEM; eddy current loss; can

2015-03-03

安徽省自然科學基金項目(1508085ME89);安徽省工業節電與電能質量控制協同創新中心開放課題基金(KFKT201502)

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)04-0001-04

倪有源(1976-), 男,博士,副教授,研究方向為電機設計及其控制。