高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子保護(hù)方案的對比研究

高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子保護(hù)方案的對比研究

0保護(hù)套應(yīng)力與轉(zhuǎn)子標(biāo)準(zhǔn)討論高速電機(jī)具有效率高、功率密度高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，已成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。高速永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子采用燒結(jié)釹鐵硼永磁材料,在高速旋轉(zhuǎn)情況下,永磁體難以承受巨大離心力,必須對永磁體采取保護(hù)措施,目前最常用的保護(hù)措施一種是采用碳纖維綁扎永磁體,另外一種是在永磁體外面加一高強(qiáng)度非導(dǎo)磁合金保護(hù)套,文獻(xiàn)提出了一種半導(dǎo)磁的合金保護(hù)套,對半導(dǎo)磁材料的物理特性進(jìn)行了測試,并分析了高速永磁電機(jī)采用半導(dǎo)磁合金材料的電磁特性。對于保護(hù)套的應(yīng)力問題,國內(nèi)外學(xué)者做了較多的研究。文獻(xiàn)對高速永磁電機(jī)的合金保護(hù)套的應(yīng)力問題進(jìn)行了研究與分析,文獻(xiàn)對高速永磁電機(jī)碳纖維保護(hù)套的應(yīng)力問題進(jìn)行了分析。合金保護(hù)措施會(huì)在保護(hù)套中產(chǎn)生較大的渦流損耗,碳纖維保護(hù)套的傳熱特性較差,保護(hù)套的增加給電機(jī)散熱帶來較大的困難,而永磁體在高溫情況下會(huì)發(fā)生不可逆退磁,分析和減小轉(zhuǎn)子渦流損耗以及準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)溫升分布變的十分重要。文獻(xiàn)對一臺(tái)2.3kW高速永磁無刷直流電機(jī)的渦流損耗進(jìn)行了分析,研究了不同保護(hù)套、銅屏蔽層厚度以及不同的電導(dǎo)率對轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響,文獻(xiàn)對合金保護(hù)套提出了采用護(hù)套周向開槽來減小轉(zhuǎn)子渦流損耗的方法,并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)[10-11]對一臺(tái)75kW,60000r/min的高速永磁電機(jī)采用了非導(dǎo)磁合金保護(hù)套,對轉(zhuǎn)子渦流損耗與電機(jī)溫升進(jìn)行了計(jì)算,同時(shí)通過空載溫升試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。文獻(xiàn)對一臺(tái)117kW,60000r/min的高速永磁電機(jī)采用了封閉的油冷系統(tǒng),研究了電機(jī)護(hù)套分別采用銅屏蔽層、碳纖維復(fù)合材料、熱噴陶瓷涂層時(shí)轉(zhuǎn)子的渦流損耗和溫度分布情況。文獻(xiàn)對一臺(tái)1020kW,19000r/min的高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)了⊥型通風(fēng)系統(tǒng)并進(jìn)行了流體場的分析。以上文獻(xiàn)都是針對某一類型的保護(hù)套進(jìn)行應(yīng)力、轉(zhuǎn)子渦流損耗或溫度場的計(jì)算,沒有從應(yīng)力場、電磁場和溫度場等多物理場共同作用下對不同的保護(hù)措施進(jìn)行比較分析,且對半導(dǎo)磁合金保護(hù)套也沒有相關(guān)的研究。本文對一臺(tái)75kW,60000r/min的高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)了不導(dǎo)磁合金保護(hù)套、碳纖維保護(hù)套以及半導(dǎo)磁合金保護(hù)套3種方案,使3種方案的電磁參數(shù)相近,同時(shí)基于應(yīng)力場、電磁場和溫度場等多物理場,對3種方案的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度、轉(zhuǎn)子渦流損耗及溫度分布進(jìn)行了綜合的比較與分析,最后對一臺(tái)采用不導(dǎo)磁合金保護(hù)套方案的樣機(jī)進(jìn)行了溫升實(shí)驗(yàn)。175結(jié)構(gòu)材料方案本文對一臺(tái)75kW,60000r/min的高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)了3種方案,電機(jī)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示,3種方案的參數(shù)如表1所示。方案1采用不導(dǎo)磁的合金保護(hù)套,方案2采用不導(dǎo)磁的碳纖維保護(hù)套,方案3采用半導(dǎo)磁的合金保護(hù)套,相對磁導(dǎo)率為7.2。其中方案1和方案2采用永磁體實(shí)心結(jié)構(gòu),如圖2所示,方案3采用如圖1所示的圓環(huán)形永磁體結(jié)構(gòu),轉(zhuǎn)子鐵心采用導(dǎo)磁的碳素鋼材料。3種方案的氣隙磁密、負(fù)載電流等電磁參數(shù)相近,都采用環(huán)形繞組結(jié)構(gòu),且采用相同的冷卻結(jié)構(gòu)與參數(shù)。從表1中可以看出,對于3種保護(hù)套方案,當(dāng)保持相近的磁場強(qiáng)度時(shí),不導(dǎo)磁合金保護(hù)套所需的永磁體最厚,為25.5mm,碳纖維保護(hù)套所需的永磁厚度次之,為22mm,半導(dǎo)磁合金保護(hù)套所需永磁體厚度最小,僅為6mm。2保護(hù)套余量及余量系數(shù)的確定永磁體在高速旋轉(zhuǎn)下會(huì)受到很大的離心力,必須對轉(zhuǎn)子強(qiáng)度進(jìn)行分析。本文基于3D有限元法,對所設(shè)計(jì)的3種方案進(jìn)行轉(zhuǎn)子強(qiáng)度的計(jì)算與分析,此方法的正確性已在文獻(xiàn)中進(jìn)行了證明。合金保護(hù)套和碳纖維保護(hù)套的材料屬性和抗拉強(qiáng)度如表2所示,永磁體的最大抗拉強(qiáng)度約為80MPa。如圖3所示,在圓柱坐標(biāo)系下,應(yīng)力分為徑向應(yīng)力σr、切向應(yīng)力σθ和軸向應(yīng)力σz,則等效應(yīng)力為為了保證電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)的情況下,安全穩(wěn)定運(yùn)行,保護(hù)套和永磁體所受最大切向應(yīng)力應(yīng)小于各自材料的抗拉強(qiáng)度,即式中:σθm和σθs分別為永磁體和保護(hù)套在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所受最大切向應(yīng)力;σms和σss分別為永磁材料和保護(hù)套材料所能承受的最大抗拉強(qiáng)度。在保護(hù)套的設(shè)計(jì)時(shí),保護(hù)套和永磁體所受最大應(yīng)力不可過于接近材料的極限強(qiáng)度,應(yīng)留有一定的余量。對此本文定義了保護(hù)套余量系數(shù)tm和永磁體余量系數(shù)ts為余量系數(shù)越大,電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行狀況越好,當(dāng)余量系數(shù)為零時(shí),即永磁體或保護(hù)套所受最大應(yīng)力達(dá)到材料所能承受的最大極限強(qiáng)度,當(dāng)余量系數(shù)大于1時(shí),即永磁體或保護(hù)套所受最大應(yīng)力為負(fù)值,為壓應(yīng)力。本文采用3D有限元法對3種方案的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度進(jìn)行分析,圖4為方案1在冷態(tài)運(yùn)行和熱態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度分布,表3、表4和表5分別為3種方案在冷態(tài)和熱態(tài)運(yùn)行時(shí)的應(yīng)力分布情況,其中3種方案的冷態(tài)運(yùn)行溫度穩(wěn)定都為25℃,方案1和方案3的熱態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定為150℃,方案2的熱態(tài)運(yùn)行穩(wěn)定為115℃。永磁體與保護(hù)套采用過盈配合,當(dāng)轉(zhuǎn)子靜止時(shí),永磁體受到一定的預(yù)應(yīng)壓力,當(dāng)轉(zhuǎn)子高速高溫旋轉(zhuǎn)時(shí),由于離心力和溫度的影響,永磁體和保護(hù)套的過盈量會(huì)減小。表3、表4和表5中負(fù)值表示所受應(yīng)力為壓應(yīng)力,正值表示所受應(yīng)力為拉應(yīng)力。從表3~表5中可以看出,不論是冷態(tài)運(yùn)行還是熱態(tài)運(yùn)行,3種方案的轉(zhuǎn)子強(qiáng)度都滿足強(qiáng)度要求,方案1采用不導(dǎo)磁合金保護(hù)套,所需保護(hù)套厚度最大,為6.5mm,方案2采用碳纖維保護(hù)套,所需保護(hù)套的厚度最小,僅為2mm,方案3采用半導(dǎo)磁的合金保護(hù)套,可以大大減小永磁體的厚度,因此也減小了保護(hù)套所需的厚度,為3.5mm,但仍大于采用碳纖維保護(hù)套時(shí)的厚度。同時(shí)對于方案1和方案3的合金保護(hù)套,電機(jī)從冷態(tài)運(yùn)行到熱態(tài)運(yùn)行時(shí),保護(hù)套余量系數(shù)會(huì)增加,但永磁體安全系數(shù)卻會(huì)急劇下降,對于方案2的碳纖維保護(hù)套,電機(jī)從冷態(tài)運(yùn)行到熱態(tài)運(yùn)行時(shí)的余量系數(shù)沒有變化,可見,工作溫度對合金保護(hù)套的應(yīng)力影響較大,而對碳纖維保護(hù)套的應(yīng)力影響較小。3等效外電路模型高速永磁電機(jī),由于時(shí)間和空間諧波的存在,會(huì)在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生較大的渦流損耗,本文在滿足電磁設(shè)計(jì)和機(jī)械強(qiáng)度的基礎(chǔ)上,基于場路耦合的2D有限元法對3種方案的轉(zhuǎn)子渦流損耗進(jìn)行計(jì)算與分析。3種方案中合金保護(hù)套的電導(dǎo)率為1.1×106s/m,碳纖維電導(dǎo)率為3×104s/m,永磁體電導(dǎo)率為6.29×105s/m。圖5為高速永磁電機(jī)發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的等效外電路模型,其中WindingA,WindingB和WindingC分別為A、B、C三相定子繞組的有限元模型;RA、RB、RC分別為三相繞組的電阻;L為繞組端部電感;Rload為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載電阻。圖6為高速永磁電機(jī)不同方案的轉(zhuǎn)子渦流損耗密度分布,從圖中可以看出,方案1和方案3渦流密度主要集中在保護(hù)套的表面,永磁體中渦流密度卻很小,方案3的渦流密度比方案1約大1個(gè)數(shù)量級;方案2的渦流密度主要集中在永磁體的表面,且渦流密度最大值為7×105A/m2,與方案1和方案2的合金保護(hù)套相比,小了約1~2個(gè)數(shù)量級;采用半導(dǎo)磁的合金保護(hù)套,即方案3時(shí),空載和負(fù)載時(shí)渦流損耗都為最大,分別為442W和2624W,約為非導(dǎo)磁合金保護(hù)套的3.5倍。方案2采用碳纖維保護(hù)套,空載和負(fù)載時(shí)的渦流損耗都為最小,約為19W和75W,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩種方案的渦流損耗。由以上分析可知,與不導(dǎo)磁的合金保護(hù)套相比,采用半導(dǎo)磁的合金保護(hù)套時(shí),雖然可以大幅地減小永磁體和保護(hù)套的厚度,但會(huì)產(chǎn)生比不導(dǎo)磁合金保護(hù)套遠(yuǎn)大的渦流損耗,給轉(zhuǎn)子散熱帶來更嚴(yán)重的困難,碳纖維保護(hù)套的轉(zhuǎn)子渦流損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于合金保護(hù)套。4溫度場計(jì)算邊界條件由以上分析可知,方案3采用半導(dǎo)磁合金保護(hù)套,存在過大的渦流損耗,已不再滿足設(shè)計(jì)要求,只對方案1與方案2進(jìn)行溫度場的計(jì)算與比較。方案2采用碳纖維保護(hù)套,渦流損耗雖然遠(yuǎn)小于采用不導(dǎo)磁合金保護(hù)套的方案1,但碳纖維的傳熱系數(shù)僅為0.7W/(m·K),而合金保護(hù)套的傳熱系數(shù)為16W/(m·K),約為碳纖維的23倍,因此對方案1和方案2在相同的通風(fēng)系統(tǒng)下進(jìn)行溫度場的計(jì)算與比較成為必要。方案1和方案2的溫度場計(jì)算模型如圖7所示,本文選擇一個(gè)齒距大小的有限元模型。溫度場計(jì)算邊界條件為:1)內(nèi)風(fēng)道和外風(fēng)道設(shè)置為K-E湍流模型,內(nèi)風(fēng)道入口風(fēng)速為14m/s,外風(fēng)道入口為19m/s,出口設(shè)置為壓力出口邊界條件。2)保護(hù)套與內(nèi)通風(fēng)道交界面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)邊界條件,轉(zhuǎn)速為60000r/min,模擬轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)對流體的影響以及流固耦合直接計(jì)算風(fēng)摩耗大小。3)永磁體、保護(hù)套、內(nèi)外通風(fēng)道、定子鐵心的兩側(cè)的截面設(shè)置為旋轉(zhuǎn)周期對稱邊界條件。4)電機(jī)的軸向兩端設(shè)置為絕熱邊界條件。本文采用內(nèi)外風(fēng)道通風(fēng)冷卻的方式,定轉(zhuǎn)子之間沒有熱交換,所以定子側(cè)的損耗對轉(zhuǎn)子溫度的影響較小,且本文所設(shè)計(jì)的方案1和方案2的電磁參數(shù)和電機(jī)尺寸非常接近,兩種方案的定子鐵耗與繞組銅耗相差很小,因此在溫度場計(jì)算時(shí),認(rèn)為方案1和方案2的鐵耗和繞組銅耗相同,空載和負(fù)載時(shí)的鐵耗和銅耗如表6所示。圖8為方案1和方案2空載運(yùn)行下的溫度分布,圖9為方案1和方案2負(fù)載運(yùn)行下的溫度分布。空載和負(fù)載時(shí)各部分的溫度分布如表7所示。從圖8、圖9以及表7中可以看出,空載時(shí),方案1的最高溫度為99℃,方案2最高溫度為79℃,比方案1低了20℃,都出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子出口側(cè)。當(dāng)額定負(fù)載運(yùn)行時(shí),方案1最高溫度為161℃,出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子出口側(cè),已經(jīng)很接近永磁體的極限溫度180℃,方案2負(fù)載時(shí)最高溫度為97℃,出現(xiàn)在定子繞組位置,轉(zhuǎn)子的最高溫度為88℃,遠(yuǎn)小于方案1的轉(zhuǎn)子溫度。同時(shí)方案2在空載和負(fù)載時(shí)的定子和繞組溫度都稍小于方案1。與合金保護(hù)套相比,雖然碳纖維保護(hù)套的導(dǎo)熱特性較差,但其可以大幅度地降低轉(zhuǎn)子渦流損耗,在相同的散熱條件下,采用碳纖維保護(hù)套的電機(jī)溫升遠(yuǎn)小于合金保護(hù)套。5負(fù)載溫升試驗(yàn)文獻(xiàn)[10-11]基于非導(dǎo)磁合金保護(hù)套加工了一臺(tái)75kW,60000r/min的高速永磁電機(jī)樣機(jī),并對該樣機(jī)進(jìn)行了空載溫升試驗(yàn)。樣機(jī)采用熱敏電阻測量定子鐵心的溫升,監(jiān)測電機(jī)的兩個(gè)出風(fēng)口在不同轉(zhuǎn)速下的溫度,電機(jī)運(yùn)行約75min后電機(jī)達(dá)到穩(wěn)定溫升。文獻(xiàn)測得在60000r/min時(shí)定子溫度為78℃,而本文的計(jì)算結(jié)果為75℃,誤差為3.8%,誤差很小,且在高速旋轉(zhuǎn)下,轉(zhuǎn)子未出現(xiàn)損壞,間接地證明了本文分析結(jié)果的有效性。6不導(dǎo)磁保護(hù)套與不導(dǎo)磁保護(hù)套對電機(jī)工作特性的影響本文對一臺(tái)75kW,60000r/min高速永磁電機(jī)設(shè)計(jì)非導(dǎo)磁合金保護(hù)套、碳纖維保護(hù)套、半導(dǎo)磁合金保護(hù)套3種方案,并對所設(shè)計(jì)的3種方