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分数槽集中绕组电机转子永磁体内产生涡流损耗

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点击次数:更新时间:2018-05-21 15:05:13

由永磁电动推杆原理,电枢反应磁场在电枢圆周内是跳跃式旋转的,与转子有相对运动,使转子的永磁体和轭部必然产生感应涡流?但转子涡流损失通常被认为是微不足道的,因为整数槽情况下电枢反应磁动势空间谐波较小?可是研究表明,集中绕组分数槽电机在水磁体内极有可能产生明显的涡流损失?这是由于其电枢反应磁动势(MMF)包含丰富的空间谐波,向前和向后旋转的MMF谐波在转子磁铁和铁心轭部产生涡流?这种情况还因相电流有时间谐波而进一步加剧?由于稀土磁铁电阻率相对较低,由此产生的涡流损失可能很大,导致温度上升,甚至导致部分磁体不可逆退磁?这种情况特别是在高转速?高极数或高负载电机中可能发生?下面两个例子显示转子涡流损失不容忽视?

参考文献[11]给出对两台大电流分数槽永磁电机的分析结果?在图8-4a表示24槽/22极电机(A电机)空间楷波MMF分布频谱,而图8-4b显示了36槽/24极电机(B电机)MMF分布频谱?图中MMF单位是归化到每槽安匝数?可以看出,A电机定子绕组MMF分布包含更丰富的谐波:以第11?第13?第35?第37……次谐波为主,同时存在着低次谐波,如第5?第7?第17和第19等谐波?其中只有11次MMF谐波与22极永磁转子磁场的互相作用产生有效转矩。其他谐波,尤其是低次谐波,如第5?第7和第13次,将会导致转子磁铁涡流损失。B电机MMF包含的谐波相对较少?对这两个大功率永磁电机采用有限元分析计算,在500A三相正弦电流负载下转速为1700r/min时两个电动机转子涡流损失分别接近2000W和1000W?而采用0.35片厚的定子铁心在6000r/min空载下的铁损耗分别只有1176W和1448W。

图8-4电枢反应MMF空间谐波分布频谱a)24槽/22极电机b)36槽/24极电机

 

  在图8-3a和b分别给出Z/2p=12/10双层绕组和单层绕组在A-B两相导通时的电枢反应磁动势分布图?单层绕组磁动势分布和局部磁场强度峰值几乎加倍?电枢反应增加会大大降低电机性能,这决定于电机转子结构类型?对表面安装的永磁电机(SPM),有效气隙大  由气隙和永磁体厚度确定),因此由电枢反应磁动势引起的磁通密度变化相对很小,饱和与转子损耗比较低?相反,对内置式永磁电机(IPM),气隙很小,电枢反应会引起不期望的局部饱和或不平衡磁拉力?单层绕组除了磁动势峰值分布增加外,谐波成分也增加?图8-5所示,单层绕组时谐波成分有所恶化?特别是谐波次数v=1的次谐波增加很明显?如图8-5给出了12槽10极电机双层绕组和单层绕组磁动势的谐波分布频谱,单层绕组单层绕组电枢反应磁场表现出明显的一对极磁场成分,会引起局部磁路饱和和磁拉力?

图12槽10极电机双层绕组和单层绕组磁动势的谐波分布

 

参考文献[12]分析计算了三种12槽/10极表面安装磁铁的分数槽永磁电机的转子永磁体涡流损耗,在其中两个定子铁心齿有同样的宽度,第一个是双层绕组的,第二个是单层绕组的?第三个电动机是大小齿结构,线圈只绕在大齿上,为的是最大限度增加转矩密度?这里,MMF第5次空间谐波与转子磁体互动产生有用的电磁转矩,而其他空间谐波则使转子产生涡流损耗?

有限元分析方法对无刷交流电机(BLAC)和推杆电机(BLDC)两种运行模式下分析预测磁体涡流损失?三相绕组相电流波形分别假定为正弦波或方波,BLAC运行模式设A相电流10A,另外两相电流为-5A;BLDC运行模式设两相通电电流为10A,另一相为零?该电机主要数据:定子内径28.5,铁心长50,气隙1,磁钢厚度3,B,1.2T,槽口宽2?图8-6给出了这三种12槽/10极推杆电机的电枢反应磁场分布图?

有限元分析方法计算结果,BLDC运行模式下的磁体涡流损耗与转子速度关系如图8.7所示?图中,三条曲线,由下至上分别是双层绕组的,单层绕组的,宽齿和窄齿交替的三种情况?曲线表明,该样机的确存在比较可观的磁体涡流损耗,磁体涡流损耗随着转速上升快速增长?三种情况下双层绕组的方案较好,因为它的MMF空间谐波相对较少?计算结果还表明,BLAC运行模式比BLDC运行模式有较低的磁体涡流损耗?

图8-7三种12槽/10极推杆电机转子涡流损耗与转速关系

 

  为了降低转子损耗,除了选择有较低磁动势谐波的槽极数组合外,还可以采取以下几种方法

  1)将永磁体沿轴向或圆周方向分割成若干片?有文献介绍沿圆周方向分割为两片,永磁体损耗可以减少约一半?

  2)转子铁轭采用叠片式降低涡流损耗

  3)采用高电阻率的永磁材料?例如,采用粘结钕铁硼永磁(电阻率20um)代替烧结钕铁硼永磁(1.5um电阻率),它们电阻率相差约30倍?有文献研究,用烧结永磁沿圆周分割为4片,其损耗大约和采用粘结永磁相当?铁氧体磁体有十分高的电阻率,可视为非导电材料,在铁氧体磁体的损耗微不足道?而且表面安装的铁氧体磁体通常比较厚,使电机等效气隙大,结果在转子铁心轭部的损耗也非常低?

  4)采用双层绕组代替单层绕组?



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