从电机设计的角度减少高速永磁电机转子损耗
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1 电机结构和参数
对于相同的外形尺寸 Φ64 mm ×70 mm ,设计 了 3 台额定功率和转速均为 3 kW 和 1. 5 ×105 r/ min ,但定子结构不同的 2 极 、3 相无刷直流电机. 电 机结构如图 1 所示. 3 槽集中绕组结构简写为“2p23s no n”(图 1 (a) ) ,6 槽叠绕组结构简写为“2p26s over” (图 1 ( b) ) , 6 槽集中绕组结构简写为“2p26s no n” (图 1 (c) ) . 所有电机的转子剖面结构相同 ,如图 1 所示 ,永磁体和保护环分别采用钐钴 S30 H 和钛合 金 SP700. 表 1 列出了 3 台高速电机的设计参数. 考 虑到端部绕组的不同 ,3 台电机的铁心长度也有所 差别 ,但总长相同. 3 台电机定子侧的损耗 (铁耗 + 铜耗) 设计得基本相同.
通讯联系人 :沈建新 ,男 ,教授 ,博导. E2mail : j_x_shen @hot mail . co m
1588
浙 江 大 学 学 报 (工学版) 第 41 卷
转子表面粗糙程度 、减小转子直径和转轴长度等方 法来实现 ;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引 起的. 转子涡流损耗一般比风摩损耗严重 ,需要采取 必要的措施来降低转子涡流损耗. J ang 等人[1] 使用 正弦充磁的转子磁环来减小当电机空载运行时由于 定子槽开口引起的转子损耗. To da 等人[2] 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. 这 2 种方法都对永磁体的加工 、充磁和装配提出 了更高的要求.
(浙江大学 电气工程学院 ,浙江 杭州 310027)
摘 要 : 高速永磁无刷直流电机的转子涡流损耗主要是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口造成的气隙 磁导变化引起的. 转子涡流损耗使电机的效率下降并能引起转子永磁体的退磁. 从电机设计的角度 ,采用解析计算 和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构 、槽开口大小以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子损耗的影 响. 利用傅里叶变换 ,得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量 ,然后采用计及转子集肤深度和涡 流磁场影响的解析模型计算高速电机转子损耗 ,并对解析计算结果通过有限元仿真加以验证. 结果表明 ,3 槽集中 绕组结构中含有 2 次 、4 次等偶次空间谐波分量 ,该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗. 定子结构对高速电机 转子涡流损耗影响很大 ,合理地设计定子结构能够减小转子涡流损耗. 关键词 : 永磁无刷直流电机 ;高速电机 ;转子损耗 ;定子结构 ;槽开口 ;气隙长度 中图分类号 : TM351 文献标识码 : A 文章编号 : 1008 973X(2007) 09 1587 05
图 1 不同定子结构的高速永磁无刷直流电机 Fig. 1 High2speed PM DC motors wit h different stator
st ruct ure
表 1 电机参数
Tab. 1 Moto r parameters
参数
额定功率/ kW 额定电压 V dc/ V 额定转速 v/ ( r ·min - 1) 额定转矩/ ( mN ·m) 每相绕组匝数 n 定子铁芯长度 L a/ mm 定子内 (半) 径 Rs/ mm 保护环外 (半) 径 Rsl/ mm 永磁体外 (半) 径 Rm/ mm 转轴外 (半) 径/ mm 保护环电导率σsl/ (Ω ·m) - 1 保护环相对磁导率μsl 永磁体电导率σm/ (Ω ·m) - 1 永磁体相对磁导率μm 永磁体剩磁 B r/ T 相绕组电阻 R/Ω
本文分析不同的定子结构 、槽开口的大小以及 气隙长度对转子损耗的影响. 首先利用傅里叶变换 , 得到分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波 分量 ;然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的 解析模型计算高速电机转子损耗 ,解析计算结果通过 有限元仿真加以验证 ;最后采用有限元仿真方法分析 了定子槽开口和气隙长度对转子损耗的影响.
第9期
周凤争 ,等 :从电机设计的角度减少高速永磁电机转子损耗
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图 2 一相等效电流片在槽开口( 3 mm 宽) 处的分布波形 Fig. 2 Dist ributio n of equivalent current sheet over slot open2
ing (3 mm widt h) per p hase
如前所述 ,转子涡流损耗主要包括 3 部分 ,其中 电流时间谐波引起的损耗主要取决于控制策略 (例 如是否采用脉宽调制) ,电流空间谐波引起的损耗和 气隙磁导变化引起的损耗主要取决于电机的定子结 构以及槽开口的大小 、气隙长度等结构尺寸. 总的转 子涡流损耗虽然不是这 3 部分的简单叠加 ,但有必 要对其单独分析 ,找出削弱各部分损耗的方法. 在高 速电机中 ,一般将磁场设计得不饱和以降低定子铁 耗和转子涡流损耗 ,所以系统呈现一定的线性度 ,本 文第 3 章的计算也表明电流空间谐波和气隙磁导变 化引起的合成转子损耗接近于两者独立作用的总 和. 这表明单独分析各部分转子损耗具有现实意义.
Abstract : The rotor eddy current loss in high2speed permanent magnet brushless direct current motors is mainly caused by the space harmonics and time harmonics of armature current and the airgap permeance variation due to slot2openings. Rotor loss reduces the power efficiency and demagnetizes the magnets. From motor design aspect , the influences of various stator structures , slot opening width and airgap length on the rotor loss were studied through both analytical calculation and finite element simulation. The space harmonics of armature magnetic motive force were calculated by current2sheet method and Fourier analysis. Then the rotor loss was derived based on an improved model with the skin depth and the eddy current reaction field taken into account . The results show that 2poles23slot s nonoverlapping motor exhibits high even2order space harmonics of stator magnetic motive force , and consequently causes much rotor loss. Different stator structures have an impact on the rotor eddy current loss and the rotor loss can be reduced by proper motor design. Key words : permanent magnet brushless direct current motor ; high2speed motor ; rotor lo ss ; stator st ruc2 t ure ; slot opening ; airgap lengt h
收稿日期 : 2006 03 17.
浙江大学学报 (工学版) 网址 : www. journals. zju. edu. cn/ eng
基金项目 : 浙江省自然科学基金资助项目 ( Y104442) ;教育部留学回国人员科研启动基金资助项目.
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. E2mail : zhoufengzheng @hot mail . com
第 41 卷第 9 期 2007 年 9 月
浙 江 大 学 学 报 (工学版)
Jo urnal of Zhejiang U niversity ( Engineering Science)
Vol . 41 No . 9 Sep . 2007
从电机设计的角度减少高速永磁电机转子损耗
周凤争 ,沈建新 ,林瑞光
近年来 ,由于高速永磁无刷直流电机具有高功 率密度 、高效以及良好的可控性等优点而越来越得 到工业界的青睐. 但是高速电机的发展仍然受到一 些技术问题的限制 ,例如 ,转子损耗在中 、低速无刷
直流电机中往往是可以忽略的 ,但是在高速无刷电 机中比较严重 ,能够引起转子永磁体的不可恢复性 退磁. 转子损耗主要是由风摩损耗和涡流损耗 2 部 分构成的 ,减小风摩损耗可以通过增大气隙 、降低定
Reduction of rotor loss in high2speed permanent magnet motors by design method
ZHOU Feng2zheng , S H EN J ian2xin , L IN Rui2guang
( Col lege of Elect rical En gi neeri n g , Zhej i an g U ni versit y , H an gz hou 310027 , Chi na)
2p23s non 3 42
1. 5 ×105 191 4 38. 6 15 12 10 7
6. 1 ×105 1
2 ×106 1. 1 1. 09
2. 3 ×10 - 3
2p26s over 3 42
1. 5 ×105 191 4 34. 6 15 12 10 7
6. 1 ×105 1
2 ×106 1. 1 1. 09
2. 9 ×10 - 3
2p26s non 3 42
1. 5 ×105 191 8 36. 0 15 12 10 7
6. 1 ×105 1来自2 ×106 1. 1 1. 09
3. 2 ×10 - 3
2 定子结构的影响
定子结构决定了电枢电流的空间谐波分量. 为 了研究定子结构对转子损耗的影响 ,所有的电机均 运行于额定转速 (1. 5 ×105 r/ min) 和相同的正弦定 子电流 (峰值为 75 A) 的情况下. 为了得到电枢反应 磁场 ,定子电流等效为分布于定子槽口的电流片[3] . 通过傅里叶变换分别得到不同电机的等效电流片的 空间谐波分量. 图 2 为一相绕组等效电流片的波形 图 ,3 个电机的额定电流相同 (幅值为 75 A 的正弦 电流) ,定子槽开口为 3 mm ,则分布于槽开口的等 效电流片的幅值为 75 ×n ×103 / 3 ,其中 n 为单个槽 内每相绕组匝数 ,参见图 1 和表 1 ,3 个电机的 n 相 同 ,均为 4 ,所以图 2 中等效电流片波形的幅值均为 1 ×105 A/ m ,宽度为槽口宽. 如图 1 所示 ,由于 3 个 电机的定子结构不同 ,其中 2p23s no n 采用短距的 集中绕组 ,2p26s over 采用整距的叠绕组 ,2p26s no n 采用绕组系数为 0. 5 的集中绕组 (以 A 相为例 ,有 2 组匝数均为 4 匝 、绕组系数为 0. 5 的绕组 , 相隔 180°电角度 ,串连构成 A 相绕组. )
对于相同的外形尺寸 Φ64 mm ×70 mm ,设计 了 3 台额定功率和转速均为 3 kW 和 1. 5 ×105 r/ min ,但定子结构不同的 2 极 、3 相无刷直流电机. 电 机结构如图 1 所示. 3 槽集中绕组结构简写为“2p23s no n”(图 1 (a) ) ,6 槽叠绕组结构简写为“2p26s over” (图 1 ( b) ) , 6 槽集中绕组结构简写为“2p26s no n” (图 1 (c) ) . 所有电机的转子剖面结构相同 ,如图 1 所示 ,永磁体和保护环分别采用钐钴 S30 H 和钛合 金 SP700. 表 1 列出了 3 台高速电机的设计参数. 考 虑到端部绕组的不同 ,3 台电机的铁心长度也有所 差别 ,但总长相同. 3 台电机定子侧的损耗 (铁耗 + 铜耗) 设计得基本相同.
通讯联系人 :沈建新 ,男 ,教授 ,博导. E2mail : j_x_shen @hot mail . co m
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浙 江 大 学 学 报 (工学版) 第 41 卷
转子表面粗糙程度 、减小转子直径和转轴长度等方 法来实现 ;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引 起的. 转子涡流损耗一般比风摩损耗严重 ,需要采取 必要的措施来降低转子涡流损耗. J ang 等人[1] 使用 正弦充磁的转子磁环来减小当电机空载运行时由于 定子槽开口引起的转子损耗. To da 等人[2] 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. 这 2 种方法都对永磁体的加工 、充磁和装配提出 了更高的要求.
(浙江大学 电气工程学院 ,浙江 杭州 310027)
摘 要 : 高速永磁无刷直流电机的转子涡流损耗主要是由定子电流的时间和空间谐波以及定子槽开口造成的气隙 磁导变化引起的. 转子涡流损耗使电机的效率下降并能引起转子永磁体的退磁. 从电机设计的角度 ,采用解析计算 和有限元仿真的方法研究了不同的定子结构 、槽开口大小以及气隙长度对高速永磁无刷直流电机转子损耗的影 响. 利用傅里叶变换 ,得到了分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波分量 ,然后采用计及转子集肤深度和涡 流磁场影响的解析模型计算高速电机转子损耗 ,并对解析计算结果通过有限元仿真加以验证. 结果表明 ,3 槽集中 绕组结构中含有 2 次 、4 次等偶次空间谐波分量 ,该谐波分量在转子中产生大量的涡流损耗. 定子结构对高速电机 转子涡流损耗影响很大 ,合理地设计定子结构能够减小转子涡流损耗. 关键词 : 永磁无刷直流电机 ;高速电机 ;转子损耗 ;定子结构 ;槽开口 ;气隙长度 中图分类号 : TM351 文献标识码 : A 文章编号 : 1008 973X(2007) 09 1587 05
图 1 不同定子结构的高速永磁无刷直流电机 Fig. 1 High2speed PM DC motors wit h different stator
st ruct ure
表 1 电机参数
Tab. 1 Moto r parameters
参数
额定功率/ kW 额定电压 V dc/ V 额定转速 v/ ( r ·min - 1) 额定转矩/ ( mN ·m) 每相绕组匝数 n 定子铁芯长度 L a/ mm 定子内 (半) 径 Rs/ mm 保护环外 (半) 径 Rsl/ mm 永磁体外 (半) 径 Rm/ mm 转轴外 (半) 径/ mm 保护环电导率σsl/ (Ω ·m) - 1 保护环相对磁导率μsl 永磁体电导率σm/ (Ω ·m) - 1 永磁体相对磁导率μm 永磁体剩磁 B r/ T 相绕组电阻 R/Ω
本文分析不同的定子结构 、槽开口的大小以及 气隙长度对转子损耗的影响. 首先利用傅里叶变换 , 得到分布于定子槽开口处的等效电流片的空间谐波 分量 ;然后采用计及转子集肤深度和涡流磁场影响的 解析模型计算高速电机转子损耗 ,解析计算结果通过 有限元仿真加以验证 ;最后采用有限元仿真方法分析 了定子槽开口和气隙长度对转子损耗的影响.
第9期
周凤争 ,等 :从电机设计的角度减少高速永磁电机转子损耗
1589
图 2 一相等效电流片在槽开口( 3 mm 宽) 处的分布波形 Fig. 2 Dist ributio n of equivalent current sheet over slot open2
ing (3 mm widt h) per p hase
如前所述 ,转子涡流损耗主要包括 3 部分 ,其中 电流时间谐波引起的损耗主要取决于控制策略 (例 如是否采用脉宽调制) ,电流空间谐波引起的损耗和 气隙磁导变化引起的损耗主要取决于电机的定子结 构以及槽开口的大小 、气隙长度等结构尺寸. 总的转 子涡流损耗虽然不是这 3 部分的简单叠加 ,但有必 要对其单独分析 ,找出削弱各部分损耗的方法. 在高 速电机中 ,一般将磁场设计得不饱和以降低定子铁 耗和转子涡流损耗 ,所以系统呈现一定的线性度 ,本 文第 3 章的计算也表明电流空间谐波和气隙磁导变 化引起的合成转子损耗接近于两者独立作用的总 和. 这表明单独分析各部分转子损耗具有现实意义.
Abstract : The rotor eddy current loss in high2speed permanent magnet brushless direct current motors is mainly caused by the space harmonics and time harmonics of armature current and the airgap permeance variation due to slot2openings. Rotor loss reduces the power efficiency and demagnetizes the magnets. From motor design aspect , the influences of various stator structures , slot opening width and airgap length on the rotor loss were studied through both analytical calculation and finite element simulation. The space harmonics of armature magnetic motive force were calculated by current2sheet method and Fourier analysis. Then the rotor loss was derived based on an improved model with the skin depth and the eddy current reaction field taken into account . The results show that 2poles23slot s nonoverlapping motor exhibits high even2order space harmonics of stator magnetic motive force , and consequently causes much rotor loss. Different stator structures have an impact on the rotor eddy current loss and the rotor loss can be reduced by proper motor design. Key words : permanent magnet brushless direct current motor ; high2speed motor ; rotor lo ss ; stator st ruc2 t ure ; slot opening ; airgap lengt h
收稿日期 : 2006 03 17.
浙江大学学报 (工学版) 网址 : www. journals. zju. edu. cn/ eng
基金项目 : 浙江省自然科学基金资助项目 ( Y104442) ;教育部留学回国人员科研启动基金资助项目.
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. E2mail : zhoufengzheng @hot mail . com
第 41 卷第 9 期 2007 年 9 月
浙 江 大 学 学 报 (工学版)
Jo urnal of Zhejiang U niversity ( Engineering Science)
Vol . 41 No . 9 Sep . 2007
从电机设计的角度减少高速永磁电机转子损耗
周凤争 ,沈建新 ,林瑞光
近年来 ,由于高速永磁无刷直流电机具有高功 率密度 、高效以及良好的可控性等优点而越来越得 到工业界的青睐. 但是高速电机的发展仍然受到一 些技术问题的限制 ,例如 ,转子损耗在中 、低速无刷
直流电机中往往是可以忽略的 ,但是在高速无刷电 机中比较严重 ,能够引起转子永磁体的不可恢复性 退磁. 转子损耗主要是由风摩损耗和涡流损耗 2 部 分构成的 ,减小风摩损耗可以通过增大气隙 、降低定
Reduction of rotor loss in high2speed permanent magnet motors by design method
ZHOU Feng2zheng , S H EN J ian2xin , L IN Rui2guang
( Col lege of Elect rical En gi neeri n g , Zhej i an g U ni versit y , H an gz hou 310027 , Chi na)
2p23s non 3 42
1. 5 ×105 191 4 38. 6 15 12 10 7
6. 1 ×105 1
2 ×106 1. 1 1. 09
2. 3 ×10 - 3
2p26s over 3 42
1. 5 ×105 191 4 34. 6 15 12 10 7
6. 1 ×105 1
2 ×106 1. 1 1. 09
2. 9 ×10 - 3
2p26s non 3 42
1. 5 ×105 191 8 36. 0 15 12 10 7
6. 1 ×105 1来自2 ×106 1. 1 1. 09
3. 2 ×10 - 3
2 定子结构的影响
定子结构决定了电枢电流的空间谐波分量. 为 了研究定子结构对转子损耗的影响 ,所有的电机均 运行于额定转速 (1. 5 ×105 r/ min) 和相同的正弦定 子电流 (峰值为 75 A) 的情况下. 为了得到电枢反应 磁场 ,定子电流等效为分布于定子槽口的电流片[3] . 通过傅里叶变换分别得到不同电机的等效电流片的 空间谐波分量. 图 2 为一相绕组等效电流片的波形 图 ,3 个电机的额定电流相同 (幅值为 75 A 的正弦 电流) ,定子槽开口为 3 mm ,则分布于槽开口的等 效电流片的幅值为 75 ×n ×103 / 3 ,其中 n 为单个槽 内每相绕组匝数 ,参见图 1 和表 1 ,3 个电机的 n 相 同 ,均为 4 ,所以图 2 中等效电流片波形的幅值均为 1 ×105 A/ m ,宽度为槽口宽. 如图 1 所示 ,由于 3 个 电机的定子结构不同 ,其中 2p23s no n 采用短距的 集中绕组 ,2p26s over 采用整距的叠绕组 ,2p26s no n 采用绕组系数为 0. 5 的集中绕组 (以 A 相为例 ,有 2 组匝数均为 4 匝 、绕组系数为 0. 5 的绕组 , 相隔 180°电角度 ,串连构成 A 相绕组. )