基于软磁复合材料的超高速永磁同步电机电磁设计分析
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基于软磁复合材料的超咼速永磁同步电机
电磁设计分析
韦福东,王建辉,刘朋鹏
!上海电器科学研究所(集团)有限公司,上海200063]
摘 要:
软磁复合(SMC )材料因其材料特性及微观结构特点,具有涡流损耗系数低、各向同性等优点,适
用于超高速永磁同步电机(PMSM )设计,可以有效降低电机铁耗。
以1台额定转速4 000 .01、额定频率
533.33 Hz 的PMSM 为例,从电磁特性、铁耗 计算等
SMC 材料及
进行对比分析及有限元仿真计算,通过样机
SMC 材料 结 有效性。
利用
方法,以1台 用SMC 材料的
120 000 .02的超高速PMSM 为例,对比分析不同极槽配合对电磁性能的影响,对SMC 材料应用于超高速
PMSM。
关键词:超高速永磁同步电机;软磁复合材料;铁耗分析中图分类号:TM 351
文献标志码:A
文章编号:
1673-6540 ( 2021)01-0078-05
doi :
10.12177/eoca.2020.171
Electromagnetic Design and Analysis of Ultra-High-Speed Motor
Based on Soft Magnetic Composite Material *
收稿日期:2020-10-09;收到修改稿日期:2020-10-29
*基金项目:广东省重点领域研发计划项目(2019'090909002)
作者简介:韦福东(1992-),男,硕士,研究方向为电机设计与控制技术°
王建辉(1971-),男,博士,副教授,研究方向为电机设计与控制技术。
刘朋鹏(1990-),男,硕士,研究方向为电机设计与控制技术°
WEI Fudong, WANG Jianhui, LIU Pengpeng
[Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group ) Co. Ltd., Shanghai 200063, China]
Abstract : Due te ite oateOal characteristica and microstructure, soft magnetic composite (SMC) oateOal has
the advantages of low eddy current loss coeCicient, isotropy and so on. Ie is suitable foe the design of ultra-high-speed
permanene maanet synchronous motoe (PMSM), which can eeectively reduce the motoe iron loss. Taking a PMSM
with a rotation speed of 4 000 r/min and a frequency of 533.33 Hz as an example, the comparison analysis and finite elemeni simulation calculation of SMC materials and silicon sted sheete ao ccrried out from the aspecte of
electomagnetic propeoies and iron loss analysis. The validity of SMC materiai analysis resulte is verified by prototype
test. The analyticd method is used and a 120 000 r/min ultro-high-speed PMSM using SMC materiae is taken as an
exampe t 。
compare and analyze the influencc of diteont po C and slot matching on electomagnetic performancc. It provides ceiain guidancc foe the applicotion of SMC materials t 。
ultro-high-speed PMSM.
Key words: utra-highspeed permanent magnet synctronous motor (PMSM); soft magnetic composite material; analysis of iron los s
0引言
高速 等优点,
广
用于高速空气
机、
高速
、
等高端制造设备1* o W 是
超高速电机因其具有转动惯量小,
可以直接
因为其转子转速高,
所以电机额定频率也远高于
电机,电机损耗〔"*。
对于超高速电机,合铁心材料可以有效降低电机铁耗。
软磁复合(SMC)材料是一种新型不规则铁基金材料,微为0.1mm,通过
机,有效降低材料的涡流损耗〔o与材料相比,
SMC材料具有可塑性,使研制复铁为可o过SMC合,可以铁
材料同的损耗特性和机〔-*o
于SMC材料具有磁热各向同性,材料利用高等优点,已在轴向磁通电机等多种特种电机中取得应用。
吴巧变〔将
SMC材料应用到横向磁通永磁无刷电机中,降低了漏磁矩脉动;刘〔SMC材料铁心永磁电机拓扑结构,对SMC材料铁心爪极电机和横向磁通电机的齿矩抑制进行了研究。
王晓光等〔刀基于SMC材料的轴向磁通永磁电机进行设计-,利用SMC材料的加工特点对电机结构进行优化,以弥补SMC材料磁导率低的缺点。
黄平林等〔8*铁用
SMC材料、用Halbach磁路的6000r/min永磁同步电机(PMSM)进行设计优化,SMC材料应用的可行性及Halbach阵列可有效增隙磁密、屏蔽漏磁的功能。
郑沛〔同合、套筒结构等方高速PMSM进行对比,优化了电机电磁性o
本文利用有限元比SMC材料[
材料的电磁特性,从磁滞损耗、涡流损耗及附加损耗同铁磁材料电机铁耗进行比分析,并以1台4000r/min的SMC材料PMSM 为例,通过样机了该方法可以较为准确地反映电机实际铁耗情况。
最后,提出1台'铁心采用SMC材料的120000r/min超高速PMSM设计方案,对比12槽2极(18槽22种电机电磁性,为超高速PMSM 电磁设计o
1电磁特性对比
铁磁材料的导磁能力征铁磁材料的一项重要参数,可以用磁示:式中为磁通密度幅值;!为真空磁导率°
于铁基外材料磁,SMC材料的磁在磁密时,仅为材料的
5%,随磁密增加,SMC材料的磁逐渐增大,但依然低于材料。
赫格纳斯(中国)有限
公司生产的700HR-5P-SMC材料与宝武钢铁生产的B20AV1300、50WW350硅钢片的磁化曲线对比如图1所示。
图1SMC与硅钢片磁化曲线对比
由图1可知,SMC材料89曲线的拐点约为1T,饱和点仅为1.6T,明显低于B20AV1300、50WW350材料的拐点点。
因此,在
同磁情况,SMC材料磁密要低于
材料。
2定子铁耗分析
超高速电机铁耗主要磁滞损耗、涡流损
耗和附加损耗,Bertotti铁耗计如下:4]=4+4+4=khfB a:?82+V58=
(2)式中:4为磁滞损耗;4为涡流损耗;4e为附加损耗;;h、0为磁滞损耗系数;;为涡流损耗系数;;e为附加损耗系数;/为频率。
磁滞损耗4铁磁材料在交变磁场中被反复磁化,磁并摩擦所消耗i o磁滞损耗与材料的磁滞回线围的
积正比,磁高,矫顽力9?增大,磁滞回线变宽,磁滞损耗随之增大°情况
,,磁滞损耗)10*o于SMC
材料特殊的微观结构特点,与材料相比,SMC 材料磁滞损耗o
涡流损耗4于铁磁材料在变磁中
产生感生电流损耗。
电机用彼此绝缘的硅钢片叠压而成,来降低涡流损耗。
涡流损耗系数可以表示为
2
$3)
:PP"
式中:P为铁心材料电阻率;">为铁心材料密度;&为铁心材料。
式(3)可知,电机铁心涡流损耗系数与铁材料密度、铁材料电反比,与铁心材料正比。
因,可以通过增大铁心材料电、降低铁心材料电机的涡流损耗。
与硅钢片相比,SMC材料由于颗粒微小且表在,可以大大增加各方向的电,有效降低铁磁材料微观涡流及宏观涡流损耗的产生,降低涡流损耗。
因,虽然SMC材料的磁滞损耗系数,但是涡流损耗系数;
于材料。
由式(2)的Bertotti铁耗计算模型可知,电机磁滞损耗与正比,涡流损耗与
平方成正比。
当电机高,铁耗随之增大,且涡流损耗增。
超高速电机为数百赫兹,赫,电机铁耗损耗的比,因SMC材料因其涡流损耗系数具优势,可以有效降低铁耗,提高电机效率,电机。
3有限元仿真及样机验证
3・1有限元仿真
为了研究对比SMC材料对电机铁耗的影响,本文了铁 用700HR-5P-SMC材料及B20AV1300、50WW350硅钢片的PMSM设计方案。
各方案铁用50WW350E ,仅电磁设计发,对比同铁心材料电机铁耗。
主要设计参数均如表1示。
表1PMSM主要设计参数
参数参数值参数名称参数值额定功率/W1100额定转速/(t-min-1)4000额定电压/V380额定频率/Hz533.33数16槽数18最功/2200最大转速/(t-min-1)4000
1电机主要设计参数,建18槽16极PMSM有限元仿真,如图2所示。
图218槽16极PMSM有限元仿真模型
产铁耗系数或84曲线,乘以电机设计系数后,700HR-5P-SMC 材料、B20AV1300、50WW350磁滞损耗系数、涡流损耗系数及附加损耗系数如表2示。
表2SMC材料及硅钢片材料铁耗系数对比
复合材料700HR-5P-SMC B20AV130050WW350磁滞损耗系数0.12590.03800.033(涡流损耗系数 5.72X10-6 4.75x10^5 2.39X10-附加损耗系数 3.21X10-33/79X10-4—通过有限元仿真分析,得到不同频率时,电机
图3不同定子铁心材料电机铁耗对比
由图3可知,B20AV1300在全频率范围内具有铁耗优势;低时,50WW350铁耗低于700HR-5P-SMC材料;电机运行在速时,700HR-5P-SMC定子铁心设计方案的铁耗为196. 59W,50WW350铁设计方案的铁耗为197.34W,SMC材料的铁耗低于50WW350材料的铁耗。
为2000Hz时,SMC材料方案的铁耗为989.73W,50WW350方案的铁耗为2098.62W。
可知,高频时B20AV1300铁耗最低,700HR-5P-SMC其次,具有进一步改进和研究值。
3.2样机验证
有限元仿真结果,铁用700HR-5P-SMC材料的18槽16极PMSM进行样机试制,通过进行速以,测得并计算电机铁耗值,以有限元法分
准确性。
SMC材料样机铁心及如图4、图5所示。
图4样机SMC定子铁心料,转子采用N38UH永磁体实心轴外加合金钢护套的设计方案,对比122(1822合对电机电磁性。
电机主要设计参数如表4所示。
为了方案对比合理有效,通过数、匝数线径,电机电负荷和槽满率基本一致°
表4超高速PMSM主要设计参数参数名称参数值参数名称参数值
额定功率/W10000额定转速/(t-min"1%120000数2额定频率/Hz2000
定子外径/mm80定子内径/mm24隙/mm3铁心长/mm50
根据表4的电机主要设计参数,建立超高速PMSM有限元仿真,通过仿真分析得到电机空载磁密如图6所示。
B/T
图5样机试验
1.0998
1.0266
0.9533
0.8800
0.8067
0.7335
0.6602
0.5869
0.5136
0.4404
0.3671
0.2938
■0.2206
0」4730.0740
0.0007
(a)12槽2极
将样机试验结果与有限元法求得的铁耗数值进行对比,如3所示。
表3样机试验数据对比
频率/Hz
转速/
$t•min1%
铁耗/W
有限元仿真机
50.00375.012.8717.10
181.811363.654.6259.06
266.672000.085.4187.35
400.003000.0138.61138.31
533.334000.0196.59191.27
由表3可知,有限元仿真法与样机试验结果基本,数值计可以较为准确地计算SMC电机铁耗。
4超高速PMSM方案对比
根据以上研究结果,提出一种120000r/min 的超高速PMSM,该电机铁心采用SMC材
B/T
I1.02980.96110.89250.8238
0.7552
0.6866
0.6179
0.5498
0.4806
0.4120
0.3433
0.2747
0.2060
0」3740.0687
0.0001(b)18槽2极
图6超高速PMSM磁密图
由图6可知,情况下,2方案超高速PMSM的齿磁密基本。
通过有限元仿真
得到气隙磁密如图7所示。
2方案子数不同,因,182方案‘隙磁通密于122o
为了比同铁材料同合电机性,过12218 2SMC材料方案隙磁密比,得到各 如图8所示。
用电方,12
■
Y
90
g80嗣70如
60蓋50
g40養30逆20『10
■12槽2极-SMC
■18®2®-SMC
1357911
阶次
图8气隙磁密谐波含量对比
2方案采用#二5的设计,18槽2方案采用#二8的设计。
由图8可知,18槽2方案有效降低了7(9,正。
各方案反电、转矩、损耗及效率仿真结果如表5所示。
表5仿真结果对比
参数名称122182
反电/V169.05169.75转矩波动/%0.150.15电/(A-mm-1)45.0445.64
铁耗/w251.47174.51涡流损耗/W24.548.22
耗/W106.0158.60效率/%96.3397.64
由表5可知,与12槽2极方案相比,通过调电机匝数,182方案反电
基本不变,相同力矩下,铜耗下降约40%,铁耗下降约30.6%,效高约1.31%,优化效为o
5结语
本文通过对1台4000r/min PMSM进行有限元仿真,对比了不同铁心材料对电机铁耗,通过机了铁耗 准确性;并以1台120000r/min超高速PMSM为例,对比同合下电机性,得出以下结论:
(1)在磁密较小时,SMC材料的磁导率明显低于材料,89曲线的拐点也低于材料,在同磁情况下,SMC材料的磁密要低于材料。
(2)SMC材料的磁滞损耗系数相对较大,但是涡流损耗系数于50WW350及B20AV1300 o与50WW350比,SMC材料在高频时铁耗优为o与B20AV1300比,SMC材料的铁耗较高,还有较大的优化
o
(3)通过样机试验验证可知,本文所提到的铁耗过为准确,为SMC材料电机铁耗了有效方o
(4)过有限元仿真可知,采用182
超高速PMSM隙磁密正、各低、耗铁耗有降低,电磁性优异,为用SMC材料的超高速PMSM设计及铁耗计。
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582.。