高温潜油永磁同步电机的设计与损耗计算

高温潜油永磁同步电机的设计与损耗计算
在异步潜油电机的基础上，设计一台高温潜油永磁同步电机，并对其损耗进行了计算，同时对电机的气隙磁密波形进行了探究。

由于气隙中的磁通密度分布在很大程度上影响着铁心损耗和感应电势等电磁参数，因此气隙磁通密度波形的优劣直接影响电机的性能。

利用ANSYS Maxwell有限元软件进行了仿真，并通过仿真结果得出Halbach磁体结构分段充磁方式能使气隙谐波明显减少，气隙磁密波形接近于正弦形。

标签：高温潜油永磁同步电机；损耗计算；气隙磁密；Halbach磁体结构
引言
作为高温永磁潜油电机的工作温度可达200℃以上[1]。

潜油电机在这种高温的工作环境下会影响材料的导电导磁性能和电机的绝缘强度，从而直接影响着电机的各相运行性能。

如果电机设计的不合理，造成潜油电机的温升过高，就有可能使永磁体产生不可逆退磁，加速电机的绝缘老化，使电机性能降低，甚至烧毁电机[2]。

因此，文章的研究在理论与实际方面均具有重要意义。

1 永磁材料的选取
本课题由于电机的工作在高温环境下，因此要保证永磁体磁性能的稳定性。

在各类永磁材料中，室温性能最高的永磁材料是NdFeB（钕铁硼），它的居里温度可达到312℃，但最高使用温度比较低，一般不超过200℃，不能满足本课题的条件；而AlNiCo（铝镍钴）永磁材料的居里温度较高，可达到860℃，其最高使用温度超过了500℃，完全能承受潜油电机的工作温度，但磁体的矫顽力比较低；SmCo（钐钴）永磁材料的居里温度在750～920℃之间，最高使用温度为350℃左右，且它的磁晶各向异性强、室温矫顽力高[3-4]。

综合来看，SmCo永磁材料是高温永磁材料的最佳选择。

因此本次电机设计中所选的是SmCo28永磁材料，其性能参数如表1所示。

2 损耗计算分析
由于损耗是潜油电机的热源，而电机的温度场计算结果的准确性是与电机损耗计算的准确性直接相关[5-6]。

以下对电机的绕组铜耗、铁耗、机械损耗分别计算。

2.1 定子基本铜耗的计算
2.3 机械损耗的计算
由于潜油电机气隙中充有电机专属冷却润滑油，因此产生的机械损耗不但有扶正轴承，止推轴承与润滑油之间的摩擦损耗，还包括了电机转子和润滑油的摩
擦损耗[8]。

其中，最主要的损耗是转子与润滑油之间的摩擦损耗。

2.3.1 转子和润滑油的摩擦损耗
2.3.2 扶正轴承的摩擦损耗
潜油电机在一些情况下不可避免的使电机定转子气隙存在一定的不均匀（比如装配时存在零件公差和人为因素等情况）造成定转子相对偏心，从而产生摩擦损耗Pf，可按公式（10）计算轴承的损耗：
3 基于ANSYSMaxwell有限元软件仿真
3.1 采用常规径向充磁
由图3可以看出采用普通径向充磁的表贴式电机的波形近似于矩形波。

通过傅里叶变换，气隙中含有3、7、9、11次谐波。

3.2 Halbach磁体结构分段充磁
图4中转子上总共有20块永磁体并逆时针标号，其中1对应1号永磁体，充磁沿X轴负方向，然后一直到第20号永磁体，其相邻两块永磁体的充磁方向上相差角度为36°。

通过图2与图5对比，可以看出与普通径向充磁方式对比，气隙波形明显改善近似正弦，且气隙磁密得到提高。

从图6中可以直观的反映出基波磁密得到增强，而其他次谐波明显减弱。

4 结束语
文章对高温潜油永磁电机的损耗进行了计算，为电机温度场的分析做了铺垫。

并研究了潜油永磁同步电机的气隙磁场分布情况，得出永磁潜油电机气隙磁场近似矩形波而并非理想的正弦波，其中的空间谐波幅值较大，造成铁心损耗的增大，使电机的效率降低。

通过采用Halbach磁体结构分段充磁方式，谐波含量明显减少，气隙波形明显改善，气隙磁密得到提高。

对Halbach阵列永磁同步电机的磁场分布的研究，有利于分析高温潜油永磁同步电机的内部损耗以及感应电势、电磁转矩等工作特性，为潜油电机温度场分析提供了有力的条件。

参考文献
[1]白山，陈冲，孙乙铭.绕组电阻随温度变化对高温潜油电机性能的影响[J].微特电机，2014，4（11）：44-50.
[2]郭秀英，赵伟民.永磁电机在抽油机中的应用[J].科技创新导报，2010.
[3]唐勇斌，郝晓宇，揭军，等.耐高温永磁电机发展现状与关键技术[J].导航定位与授时，2016，3，3（2）：65-70.
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[5]Pan Liwen，Guangyao L V，Dong Yugang. Electric vehicle drive-charge integrated system motorcontroller power loss calculation and temperature risinganalysis[C]//2014IEEE Conference on Transportation Electrification Asia-Pacific （ITEC Asia-Pacific），2004：1-5.
[6]Yamazaki K. Torque and efficiency calculation of an interior permanent magnet motor considering harmonic iron losses of both the stator and rotor[J]. IEEE Transactions on Magnetics，2003，39（3）：1460-1463.
[7]刘晓芳.电机铁耗的有限元计算方法研究进展及有待解决的问题[J].电机与控制应用，2010，37（12）：1-62.
[8]徐永明.潜油电机机械损耗及隔磁段电磁参数计算分析[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2008.
[9]范坚坚，吴建华，李创平，等.分块式Halbach型磁钢的永磁同步电机解析[J].电工技术学报，2013，3，28（3）：35-42.
王玉龙（1989-），男，硕士研究生，研究方向为电机及其控制技术。