新型永磁屏蔽电机性能研究

倪有源，陈俊华，何 强

(1.合肥工业大学，合肥230009;2.工业节电与电能质量控制省级协同创新中心，合肥230601)

0 引 言

屏蔽电机与泵共同组成屏蔽电泵。用于管道的屏蔽电泵具有噪声低、安全无泄漏、体积小以及寿命长等特点，可用于供热系统、热水循环和冷却系统、空调系统中液体的循环、锅炉太阳能供水等场合。

屏蔽电机结构特殊，其定转子结构与普通电机完全相同，但在定转子气隙中分别加入了定子屏蔽套和转子屏蔽套。屏蔽套在电机运行中会产生涡流损耗［1-4］。此外，屏蔽套的使用，实际上增加了气隙长度，这在一定程度上降低了电机的功率因数和效率。而屏蔽电机的性能决定了屏蔽电泵系统的能效等级，且随着该类电机国家能效标准的逐步提高和实施，因此研究屏蔽电机的性能对屏蔽电泵系统具有重要意义。

最早应用的屏蔽电机为感应屏蔽电机［5-8］，主要缺点是效率很低。永磁屏蔽电机是未来的发展方向，一般采用有转子铁心结构［9-10］，但是其效率还有提高的空间。因此可对其结构进行改进，并选择合适的永磁材料，研制效率较高的永磁屏蔽电机。

本文采用二维瞬态有限元方法，分析比较了有转子铁心永磁屏蔽电机和无转子铁心永磁屏蔽电机的性能。两种电机都为6 槽4 极，定子完全相同，且输出功率也相同。计算结果表明，无转子铁心永磁屏蔽电机不仅结构更简单、成本更低，而且性能优于有转子铁心永磁屏蔽电机。

1 新型永磁屏蔽电机的结构

1.1 有转子铁心永磁屏蔽电机的结构

永磁屏蔽电机的定子结构如图1 所示，共有6槽。定子采用极靴结构，可以有效减小漏磁。定子铁心采用牌号为50W470 的硅钢片叠装而成。

图1 永磁屏蔽电机定子结构

传统的转子结构如图2(a)所示，转子有铁心。转子铁心也采用50W470 的硅钢片。考虑到工作温度和生产成本等因素，选择铁氧体作为永磁屏蔽电机的磁体，有铁心转子采用牌号为Y35 的铁氧体，共有4 极。由于屏蔽电机工作的环境中会遇到含有泥沙之类的坚硬固体粒子，所以转轴采用氧化铝陶瓷材料，具有机械强度高、耐高温、成本低以及寿命长等优点。但是这种结构中，永磁体放置在转子铁心上，不仅会降低转子结构的牢固性，限制电机的最大转速，而且会增加制造难度。因此有必要对转子结构进行改进。

1.2 无转子铁心永磁屏蔽电机的结构

无转子铁心永磁屏蔽电机与有转子铁心永磁屏蔽电机的定子结构完全一样，如图1 所示。转子结构为无铁心，如图2(b)所示。永磁选择牌号为Y30的铁氧体，为N 极和S 极交替分布，极数同样为4极，结构更简单，便于生产制造。

图2 永磁屏蔽电机转子结构

此外，定子内层、转子外层均套有一层屏蔽套。定转子屏蔽套都采用非磁性、耐腐蚀、高电阻的材料，为此选用304 不锈钢，即我国不锈钢牌号06Cr19Ni10，电阻率为0.73 ×10-6Ω·m，密度为7.93 ×103kg/m3。

2 永磁屏蔽电机的损耗与效率

2.1 屏蔽套的涡流损耗

永磁屏蔽电机属于永磁电机，二者运行特点类似，但是由电磁感应原理，非导磁材料的屏蔽套会产生涡流损耗，从而降低电机的效率。这部分损耗可以用传统经验公式法和有限元法来计算。

2.1.1 经验公式法

定子屏蔽套涡流损耗常用的计算公式［2］:

式中:k1为铁心长度对极距的比值相关的系数，一般取0.8 ～0.9;kp为与极数相关的系数;Bm为气隙磁密幅值;ω1为同步角速度;δ1为定子屏蔽套厚度;L1为定子铁心长度;Di1为定子内径;ρ 为屏蔽套的电阻率。

电机正常运行时转子屏蔽套中产生的损耗主要是脉振损耗。

由于经验公式法不能精确计算铁心饱和程度与涡流损耗，并且对于不同的屏蔽电机，其修正系数并不相同，因此会产生很大的误差。

2.1.2 二维瞬态有限元分析法

二维瞬态有限元法通过结合电磁方程与机械运动方程，可以得出电机内部磁场与涡流的实际分布情况，从而精确计算屏蔽套的涡流损耗。

将电磁方程和机械运动方程联立求解，可以通过有限元瞬态场来实现，偏微分方程:

式中:A 为磁矢位;Js为电流密度;v 为物体的运动速度;σ 为介质电导率。

采用磁场计算时，在获得电机磁场分布和涡流分布的情况下，屏蔽套涡流损耗:

式中:Ji为单元涡流密度;Δili为单元体积;σ 为屏蔽材料电导率;Ne为剖分单元总数。

2.2 转子旋转的水摩擦损耗

屏蔽电机的转子是运行在水中的，旋转过程中必然会产生水摩擦损耗，这部分损耗:

式中:k2为与介质的粘度、重度有关的系数，水一般取1.15;D2为转子外径;L2为转子屏蔽套长度。

2.3 永磁屏蔽电机的转矩和效率

永磁屏蔽电机的转矩平衡方程:

式中:Te为电磁转矩;TL为负载转矩，是随着电机转速的升高而逐渐升高，最终达到额定转矩并稳定运行，故可以用TL=Kn2表示;K 为比例常数;D 为旋转阻尼系数，是与水摩擦损耗有关的系数;J 为转动惯量;ω 为转子机械角速度。

永磁屏蔽电机能量转换过程与一般的电动机相同。其输入的电功率:

式中:U1为相电压;I1为相电流;cosθ 为功率因数。

电机在运行过程中会产生各种损耗，包括定子绕组铜耗pCu、定转子铁耗pFe、定子屏蔽套损耗pB1、转子屏蔽套损耗pB2以及水摩擦损耗pfw等。扣除这些损耗之后，就是电机的输出机械功率P2，P2=TLω。功率平衡关系:

因此，永磁屏蔽电机的效率:

式中:∑p 为总损耗。

3 新型永磁屏蔽电机的性能分析

两种永磁屏蔽电机结构参数如表1 和表2 所示。其中表1 为相同的定子结构参数，表2 为不同转子的结构参数。

表1 永磁屏蔽电机的定子结构参数

表2 永磁屏蔽电机的转子结构参数

在有限元软件Maxwell 2D 中建立电机模型，运用二维瞬态有限元方法进行计算。

3.1 两种结构电机气隙磁密分析

对两种转子结构进行相同条件下的磁场分析，得到磁密矢量分布如图3 所示。电机主磁路主要由转子磁极、气隙、定子轭以及定子齿等组成。由图3可知，由永磁体产生的励磁从永磁体N 极出发，经过气隙，通过定子极靴流进定子齿，然后到达定子轭，并通过定子轭到达相邻的定子齿，再经过气隙到达永磁体S 极，最后回到永磁体N 极，从而形成一个闭合回路。

图3 两种转子结构的磁密矢量分布图

两种电机一个周期内的气隙磁密波形如图4 所示。对气隙磁密波形进行FFT 分析，得到基波和各次谐波频谱如图5 所示。气隙磁密的基波幅值和THD如表3 所示。可以看出，图3(b)结构的气隙磁密基波幅值比图3(a)结构的大，且图3(b)结构的THD比图3(a)结构小。显然无转子铁心电机性能更好。

表3 气隙磁密的基波幅值和THD

3.2 永磁屏蔽电机性能参数

采用二维瞬态有限元法计算得到的定子屏蔽套损耗为1.445 W。将电机各项数据代入式(1)，可得到经验公式法计算值为1.186 W。显然两者相差较大，通过分析可知，经验公式法有相当大的误差，所以选择有限元法计算的数值作为最后结果。

经过计算，额定负载时，新型永磁屏蔽电机电磁转矩波形如图6 所示。

图6 新型永磁屏蔽电机的性能参数

并计算得到两种电机的性能参数，如表4 所示。

表4 两种永磁屏蔽电机的性能参数比较

由表4 可以看出，额定功率相同的两种电机运行在额定频率、额定负载下，无铁心转子结构的永磁屏蔽电机比有转子铁心的永磁屏蔽电机总损耗少，效率高，性能得以提高。

4 结 语

为贯彻落实“十二五”节能减排规划和工业节能”十二五”规划，电机能效标准将会逐步提高。因此，提高屏蔽电机的效率具有重要的现实意义。本文在分析和研究传统的有转子铁心永磁屏蔽电机的基础上，对电机转子结构进行改进。改进后的转子无铁心，永磁极弧系数为1，且成本更低，结构更简单，便于生产制造。采用二维瞬态有限元方法计算了两种结构永磁屏蔽电机的性能参数。结果表明:无转子铁心永磁屏蔽电机性能优于有转子铁心永磁屏蔽电机。本文为永磁屏蔽电机的结构设计与优化提供了一定的理论参考。

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