转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响

第42卷第9期2008年9月

浙　江　大　学　学　报(工学版)

Journal of Zhejiang University (Engineering Science )

Vol.42No.9

Sep.2008

收稿日期:2007205229.浙江大学学报(工学版)网址:/eng

基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y104442),留学人员科技活动项目择优资助项目.

作者简介:周凤争(1981-),男,天津人,博士生,主要从事超高速永磁无刷直流电机的研究.E 2mail :zhoufengzheng @hot

通讯联系人:沈建新,男,教授,博导.E 2mail :j_x_shen @

DOI :10.3785/j.issn.10082973X.2008.09.022

转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响

周凤争1,2,沈建新1,王　凯1

(1.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;2.天津市电力公司技术中心,天津市300040)

摘　要:针对转子涡流损耗在高速电机中比较严重的问题,通过有限元分析研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响.分析表明:当永磁体周向宽度小于谐波磁场在永磁体中的透入深度时,永磁体分块能有效地减小永磁体中的涡流损耗;反之,永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加.利用涡流磁场的屏蔽作用,在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜片.尽管铜片中会产生涡流损耗,但该涡流产生的磁场抵消了气隙磁场的谐波分量,使永磁体、转子铁心以及保护环中的损耗显著减小,整体上降低了转子涡流损耗.关键词:永磁无刷直流电机;高速电机;转子涡流损耗;永磁体分块;铜屏蔽层

中图分类号:TM351 文献标识码:A 文章编号:10082973X (2008)0921587204

Influence of rotor structure on rotor eddy 2current loss in high 2speed perm anent m agnet brushless DC motors

ZHOU Feng 2zheng 1,2,S H EN Jian 2xin 1,WAN G Kai

1

(1.College of Elect rical Engineering ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310027,China;

2.Technical Center of Tianj in Elect ric Power Corporation ,Tianj in 300040,China )

Abstract :Rotor eddy 2current lo ss appears significant in high 2speed permanent magnet brushless DC (PM BLDC )motors.The effect of segmenting magnet s on rotor lo ss was analyzed wit h finite element analysis.Only when t he circumferential widt h of t he magnet segment is smaller t han t he skin dept h ,t he eddy 2cur 2rent lo ss in t he magnet s can be reduced by segmenting ,ot herwise t he eddy 2current loss will increase.By using t he shielding effect of t he eddy 2current magnetic field ,a copper shield wit h high conductivity was used between t he retaining sleeve and magnet s.Alt ho ugh eddy 2current loss is induced in t he copper shield ,t his eddy 2current magnetic field reduces t he harmonic field in t he air 2gap ,so t hat t he lo ss in t he magnet s ,rotor yoke and retaining sleeve are cut down dramatically ,resulting in a reduction of t he overall rotor eddy 2current lo ss.

K ey w ords :permanent magnet brushless DC motor ;high 2speed motor ;rotor eddy 2current loss ;magnet segment ;copper shield

近年来,高速永磁无刷直流电机因其高功率密度、高效以及良好的可控性等优点越来越得到工业界的青睐.目前高速电机的发展仍然受到一些技术问题的限制.例如,转子涡流损耗在中、低速无刷直

流电机中往往是可忽略的,但是在高速无刷电机中

比较严重,会引起转子永磁体过热与不可恢复性退磁.转子涡流损耗主要是由定子电流的时间和空间谐波以及由定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生

的.在高速永磁无刷直流电机中转子涡流损耗一般比风摩损耗严重,有必要采取必要的措施来降低转

子涡流损耗.例如,周凤争等人[1]对比研究了定子结构对转子损耗的影响,Isao 等人[2]通过在逆变器的直流侧调节电流的方法来降低电枢电流的时间谐波分量以及通过增加气隙长度的方法来降低转子涡流损耗.Kais 等人[3～5]通过对转子永磁体分块的方法来减小转子永磁体中的涡流损耗,可文中假设谐波磁场在永磁体中的透入深度远远大于永磁体的厚度和宽度,并且忽略了永磁体中涡流磁场对谐波磁场的屏蔽作用.由于永磁体的透入深度和谐波频率的平方根成反比,随着转速的提高,文献[3～5]的假设就不成立了.本文的研究结果也证明:当永磁体周向宽度大于谐波磁场的透入深度时,永磁体分块并不能减小永磁体中的涡流损耗.Zhou 等人[6]证明了永磁体中的涡流磁场对高速电机磁场影响很大,不能忽略.本文利用涡流磁场对谐波磁场的屏蔽作用,通过在转子保护环和永磁体磁环之间增加一层高电导率铜片的方法来减小转子损耗,分析表明该方法能进一步减小转子涡流损耗.

1　永磁体分块对转子损耗的影响

本文设计了一台额定电压、额定功率和转速分

别为60V 、2kW 和150×103r/min 的2极、3相永磁无刷直流电机.其初始结构如图1所示,表1列出了电机的设计参数.表中:q 、R o 、R s 、R sl 、R m 、R y 和

L a 分别为每相绕组匝数、定子外径、定子内径、保护

环外径、永磁体外径、转轴外径和定子铁心长度

.

图1　高速永磁无刷直流电机

Fig.1　High 2speed PM BLDC machines

表1　电机的设计参数

Tab.1　Machine design parameters

q R o /mm

R s /mm

R sl /mm R m /mm

R y /mm

L a /mm

835151210736

电机额定运行时的电流波形如图2所示,电机运行于两两导通三相六状态方式.转子坐标系的三相等效电流表达式为[4

]

图2　额定运行时的电流波形和频谱

Fig.2　Waveform and spectrum of rated phase current

J (1)=

∑∞

k =032J n cos ((n -1)ωt -θ

),n =3k +1;J (2)=∑

∞

k =0

-32J n cos ((n +1)ωt +θ),n =3k +2;J (3)=0,n =3k;J (θ,t )=J (1)+J (2)+J (3).

(1)

式中:k =0,1,2,…;n 表示时间谐波的次数;ω代表转子电角速度;J n =(2N s I n /(πR s ))K w n ,其中

N s 、I n 、R s 和K w n 分别为定子每相串联匝数、n 次谐

波电流幅值、定子内半径和绕组系数.电流仅存在奇数次谐波分量,电流的基波分量(n =1)合成的电枢磁场和转子磁场同步,不会在转子中产生涡流损耗,从公式(1)中可以看出,5次和7次时间谐波分量合成的电枢磁场以6倍转子角速度相对转子旋转,11次和13次时间谐波分量合成的电枢磁场以12倍转子角速度相对转子旋转,依此类推.所以,相对转子而言,这些谐波分别是6次、12次、18次…谐波,与转子异步,在转子中产生大量的涡流损耗,是转子涡

流损耗的主要部分[7].

为了提高转子的机械强度,在永磁体表面包裹一层高强度的非磁性材料碳素纤维保护环,永磁体采用耐高温的钐钴,转轴采用导磁不锈钢2Cr13.在

额定转速时,各次谐波磁场在转子中的透入深度如表2所示.表中d 代表谐波磁场的透入深度.

本文采用暂态有限元模型分析了永磁体周向分块对转子涡流损耗的影响.图3示出了永磁体分块数(m )为1、2、4、18和36块的模型.图4是相应模

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