高速外轉子永磁同步電機的電磁結構設計

劉光軍, 賈保旭, 聶雅萍, 王曉光

(湖北工業大學太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430068)

內置式外轉子永磁同步電機較內轉子電機繞組端部有更短的周向長度,內定子鐵心用量也更少,可有效減小電機的銅耗和鐵耗。扁線電機具有電流密度高、功率密度大和效率高的特點[1],是電機發展的主要趨勢。內置式永磁同步電機充分利用了其磁阻性能及高速弱磁擴速性能,具有很寬的高效率區[2]。文獻[3]設計了一款高速表貼式外轉子永磁同步電機,電機的轉速可達15 000 r/min,但電機高速時的效率較低。文獻[4]設計了一款兩層磁鋼結構的低速內置式外轉子電機,電機具有很好的電磁性能,但轉子磁橋的尺寸較小,無法承受高速時的應力。文獻[5]詳細分析了電機的結構尺寸變化對電機的機械特性和效率的影響,并通過對比得到了電機效率的最佳尺寸。文獻[6]分析了溫度對效率和功率密度的影響,電機在設計時要盡量減小繞組的銅耗。表貼式電機很難實現高速弱磁,在高速區電機的電流很大,效率大都低于70%,內置式電機可以充分利用轉子的空間,增加磁阻轉矩的占比,以增加直軸電感,并有利于電機弱磁擴速。

本文主要解決高速外轉子電機高速時效率低的問題,設計了一款功率為14 kW的外轉子電機。使用有限元仿真模型,從永磁體尺寸、轉子結構等方面進行分析,優化了電機的轉矩脈動、永磁體退磁、轉子應力和電機效率等主要性能,并將永磁體的剩磁磁通密度與硅鋼片的應力分別與永磁體退磁拐點的磁通密度和硅鋼片的臨界應力進行了對比,均滿足實際要求。最后,計算出了電機的效率圖,由計算的結果知:電機具有較寬的高效率區。

1 永磁同步電機模型及參數

本文以一臺10極60槽內置式永磁電機為研究對象,建立二維模型(圖1)。電機的主要技術指標見表1。

表1 電機主要參數

圖1 外轉子內置式永磁電機拓撲

高速內置式外轉子電機要發揮轉子的空間優勢,必須要采用轉子護套對電機進行保護。高溫不利于電機的電磁性能和力學性能,電機須采用水冷冷卻,以保證電機的可靠性。

2 轉子結構優化

為了提高電機的轉速、降低電機的矩脈動,對永磁體和轉子輔助槽的參數進行優化,得出優化后的結構。相同體積下,增加極對數可以減小電機定子和轉子的軛部,并能減小電機的重量,在低頻時有利于減小定子的鐵心損耗。高頻時損耗較大,可通過增加直軸電感,以減小高速弱磁時的電流和銅耗,從而降低電機的總損耗。本文使用轉矩角特性的電磁轉矩方程

(1)

式中:p為電機極對數;is為定子電流;ψf為定子產生的磁鏈與永磁磁鏈的合成磁鏈;β為轉矩角,定義為定子電流與永磁磁鏈在時空-矢量圖上的夾角;Ld為d軸電感;Lq為q軸電感。

電機的轉矩脈動

(2)

式中:Tmax為轉矩最大值;Tmin為轉矩最小值;Tav為轉矩平均值。

將轉子的部分尺寸參數化,具體尺寸見圖2。圖中:H1為永磁體的厚度;H2為“一”型永磁體磁橋的高度;H3為轉子軛部開槽的厚度;W1為“V”型永磁體轉子側開槽寬度;W2為轉子軛部開槽的寬度;θ1、θ2分別為轉子表面開輔助槽的角度。轉子開槽的形狀和位置經過參數化掃描而來。電機的最高轉速[7]

圖2 轉子參數優化示意圖

(3)

式中:ulim為電機端電壓;ilim為電機端電流。永磁體厚度減小時,永磁磁鏈減小,d軸的電感增加,可大幅增加電機的弱磁擴速能力。

由圖3可知,隨著永磁體厚度增加,電機的最大轉速減小,當永磁體厚度增加到2.9 mm時,電機的弱磁能力下降明顯,H1為3 mm時電機磁通密度飽和嚴重,轉矩增加較少。H1為2.6 mm時,永磁體的工作點較低,不利于永磁體的退磁設計,電機的最大轉矩降低。因此,選取H1為2.7 mm。

圖3 永磁體厚度H1對電機機械特性的影響

外轉子氣隙表面本身的應力較小,電機轉子軛部承擔的應力很大,所以,轉子表面的磁橋可以設計得相對較薄。電機的結構變化和開槽都可以降低電機的轉矩脈動[8-9]。圖1結構已經對永磁體的參數做過參數化掃描,其轉矩脈動為17.33%。W1變化的影響如圖4a所示,隨著開槽的寬度增加,電機的轉矩脈動逐漸減小,轉矩脈動最多可以降低4.5%,但磁橋的應力增加更多,通過對應力的仿真,此處寬度只能取2 mm,轉矩脈動為16.2%。低速電機可以采取W1處開槽的尺寸和形狀。“一”型永磁體兩邊的開槽高度對轉矩脈動也有較大影響,通過圖4b分析可得H1處的高度可以取到1.7 mm,轉矩脈動降至15.73%。

圖4 不同參數變化對轉矩脈動的影響

由圖4c可知,θ1取6.6deg時轉矩脈動降至15.67%。從圖4d中可以得到,θ2取6.6deg時轉矩脈動降至15.25%。從圖4e和f可知,W2和H3對電機的性能影響不大,此處開槽是為了增加空氣流動面積,有利于轉子內部散熱。根據電機中電磁轉矩的組成部分,電磁轉矩表示為:

Tem=Tp+Tr+Tcog

(4)

式中:Tp為永磁轉矩;Tr為磁阻轉矩;Tcog為齒槽轉矩。電磁轉矩可用永磁轉矩、磁阻轉矩和齒槽轉矩相加而得,這三者的波峰和波谷在優化時很難互補,所以,僅通過開輔助槽的方法對電機額定工況時轉矩脈動的優化結果為15.16%。

3 永磁體退磁和轉子應力分析

3.1 高速弱磁及不可逆退磁

高速電機必須要考慮永磁體的退磁情況,42UH牌號的釹鐵硼隨溫度升高,剩磁逐漸下降[10]。本文針對釹鐵硼在80℃時電機的最高轉矩工況和最高轉速工況進行了仿真,圖5是最高轉速工況下仿真的磁通密度云圖,可以看出“一”型永磁體的背面磁通密度飽和嚴重,直線AB是永磁體的退磁觀測線,圖6是不同工況下永磁體的退磁情況。由圖6可知,A點在最大轉速轉矩工況下的磁通密度為-0.6872 T,42UH牌號的釹鐵硼材料在80℃的退磁拐點約為-0.52 T,所以永磁體局部產生了不可逆退磁。永磁體背面產生退磁的原因是:高速弱磁工況下,電流的直軸分量很大,定子產生的磁場與永磁體產生的磁場方向相反,對永磁磁場有很強的抑制作用。所以,轉子永磁體產生的磁鏈基本不經過定子閉合,只在轉子內部閉合,這就導致了轉子磁路較窄處出現了磁通密度重飽和,并且磁力線會經過永磁體的邊角處閉合,這就導致了永磁體背面的邊角退磁。

圖5 最高轉速工況磁通密度云圖

圖6 退磁觀測線AB的仿真結果

對永磁體退磁區域進行倒角,并在退磁處的硅鋼片上開空氣槽,增加永磁體邊角處磁路的磁阻,阻礙磁力線的流通,從而起到對永磁體保護的作用。永磁體分為兩段可以降低永磁體的渦流損耗[11],永磁體渦流損耗

(5)

式中:V為永磁體的體積;W3為永磁體的寬度;f為磁場交變的頻率;Bm為磁通密度的幅值。

在兩側的“V”型磁鋼處將永磁體的一段加厚,可以略微增加氣隙磁通密度的正弦度,并使轉矩脈動降低0.2%,在高速弱磁工況下能增加永磁體的抗退磁能力。圖7是轉子和永磁體優化后的氣隙磁通密度云圖,永磁體上觀測線的仿真結果如圖8所示。C處的合成磁通密度與永磁體產生的磁動勢相切,E處的合成磁通密度與永磁體產生的磁動勢相反,所以E處的永磁體退磁較為嚴重,但觀測線上的磁通密度都在退磁拐點以上,永磁體的退磁符合設計要求。

圖7 優化后的最高轉速工況磁通密度云圖

圖8 退磁觀測線CD和EF的仿真結果

3.2 轉子應力設計

外轉子電機的轉子固定材料是高機械強度的非導磁材料,在轉子外側采用轉子護套保護不會對電機的電磁性能產生影響[12]。本電機采用5 mm厚的鈦合金材料作為轉子護套,轉子軛部最薄處厚度為2.5 mm,轉子氣隙最薄處厚度為1.45 mm。雖然采用了轉子護套,但由于轉子內部質量分布不均,轉子還會受到切向力,因此,轉子用于應力支撐的關鍵尺寸不能設計得很小,必須放棄部分電磁性能以保證電機的結構性能。

圖9為轉子在峰值轉速17 000 r/min時用有限元軟件仿真的應力結果,護套上應力最大處為475.83 MPa,轉子的應力最大點為417.94 MPa,轉子硅鋼片的應力都在400 MPa以下,符合應力設計要求。若轉子護套采用密度小、機械強度高的碳纖維材料纏繞,則可以用較小的護套厚度來滿足電機的應力設計。

圖9 穩態應力場分布

4 電機優化后的效率分析

4.1 電機銅耗

銅耗是電機所有損耗中的主要成分,當電機運行在大扭矩工況和高速工況時,繞組中的電流達到峰值,繞組中產生的銅耗達到最大值。本電機采用水冷,基準溫度設定在80℃。當繞組工作溫度為t,定子繞組的銅耗可以表示為:

(6)

式中:I為相電流有效值;ρt為銅線在t下的電阻率;α為在t時銅的溫度系數;Nw為每相繞組串聯匝數;Ls為繞組一端的端部長度;ll為扁線截面長度;lw為扁線截面寬度。

4.2 電機鐵耗

電機低速大扭矩時定子齒部和軛部磁通密度飽和嚴重且飽和區域很大,但磁場交變頻率較低,鐵耗較小。當電機工作在高速弱磁工況下,雖然磁場交變頻率很高,電機極靴處磁通密度飽和嚴重,但定子磁場和轉子磁場互斥,齒部和軛部磁通密度反而很低,磁通密度飽和位置和飽和區域以及磁場的諧波含量也不盡相同,這就導致電機鐵耗增加不是特別多。因此,電機應根據實際情況采用可變的鐵耗系數來計算鐵耗。本文采用應用廣泛的Bertotti鐵耗分離模型[13]:

PFe=(KhfBmx+Kcf2Bm2+Kef1.5Bm1.5)

(7)

式中:PFe為鐵心損耗;Kh和x為磁滯損耗系數;Kc為渦流損耗系數;Ke為附加損耗系數。

4.3 機械損耗

外轉子電機轉子固定結構較為復雜,電機實際高速運行時的風摩損耗和機械損耗都比較大并且很難準確計算。本文用內轉子永磁同步電機的機械損耗公式,并通過調節相應系數的方法計算機械損耗[14]:

(8)

式中:Pf為風摩損耗;Pb為摩擦損耗;k為轉子表面粗糙程度;Cf為摩擦系數;ρ為轉子周圍氣體密度;ω為轉子角速度;r為轉子氣隙側半徑;Cb為軸承系數;Dm為軸承直徑。

4.4 電機效率圖

從前文的分析中可以計算出電機效率的基本參數:線電壓250 V,線電流153 A,80℃一相電阻0.026 48 Ω,最大機械損耗1000 W。電機的損耗和電磁功率確定后用下式計算電機的效率:

(9)

式中:Pout為電機輸出的機械功率;Pin為電機輸入的電功率。

使用有限元仿真軟件將參數進行仿真可得電機的效率圖,其結果見圖10。電機的最大轉矩為102 Nm,最高轉速時的轉矩為14.6 Nm,轉折速度為5000 r/min。效率圖左上角電機的銅耗高,右下角電機的鐵耗很高,中間部分為高效率區。電機效率高于90%的高效率區占比為85%,最高效率為97.2%,從2500 r/min到7500 r/min中間電機有較寬的高效率區,與表貼式外轉子電機相比具有很高的效率優勢。

圖10 電機的效率

5 結論

提出了一種使用轉子護套的高速外轉子電機的設計方法,在應力允許范圍內以及在保證最大轉矩和最高轉速不變的情況下,通過改變轉子結構和永磁體不等厚分段的方法減小了電機的轉矩脈動,并且該優化方法對電機的最大轉矩和最高轉速影響較小。

針對永磁體的退磁問題,通過有限元仿真分析了電機在最高轉速和最大轉矩時的永磁體退磁程度,并使用了將永磁體倒角并在退磁處開輔助槽的方法,提高了永磁體的抗退磁能力。有限元仿真的結果表明該方法可以有效提高永磁體的抗退磁能力。

雖然外轉子電機在高速時的機械損耗很高,但是外轉子結構在繞組端部銅耗和定子鐵心損耗上具有一定的優勢。