通用型永磁同步屏蔽电机电磁设计

倪有源，余长城，黄 亚

(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)



通用型永磁同步屏蔽电机电磁设计

倪有源1,2，余长城1，黄 亚1

(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)

利用三维瞬态有限元法设计了不同功率的通用型永磁同步屏蔽电机。该电机为整体式永磁转子，极弧系数为1，无转子铁心，结构简单。由于二维有限元法无法计算绕组端部漏感，为此采用三维有限元法。考虑到生产成本，在没有改变定子铁心和转子的基础上，保持额定电压及额定转速不变，仅通过改变定子绕组的匝数和线径，从而改变了三相感应电动势，并设计了不同功率的永磁同步屏蔽电机。利用三维瞬态有限元法计算出不同功率电机的各种损耗及效率等性能参数。最后，样机实测结果与计算结果一致，验证了计算结果的正确性。

永磁屏蔽电机；三维瞬态有限元法；涡流损耗；屏蔽套

0 引 言

管道屏蔽电泵具有安全环保以及寿命长等优点，广泛用于各类液体循环领域中[1]。屏蔽电泵使用的电机为屏蔽电机，主要是为了满足工业中要求的无传输液体泄漏而设计的[2]。

屏蔽电泵工作时电机的本体完全处于传输的液体中，为了将电机的电气部分和传输液体隔离开，在电机的定子内层和转子外层各加入一层屏蔽套，将电机的定转子屏蔽隔离，因此称之为屏蔽电机[3]。

屏蔽电机的种类很多，早期使用的大多是感应屏蔽电机[3-5]。但是感应屏蔽电机普遍效率较低，不符合国家环保节能政策，有逐渐被淘汰的趋势。近年来随着永磁材料的日益发展以及节能标准的不断提高，永磁屏蔽电机应用越来越广泛。使用永磁体不仅可以减少屏蔽电机的损耗，提高电机的效率，而且电机还具有较高的功率因数[6-7]。

根据控制方式不同，永磁屏蔽电机可分为永磁同步屏蔽电机和无刷直流永磁屏蔽电机。本文研究了小功率通用型永磁同步屏蔽电机的电磁设计。该电机为永磁转子，极弧系数为1，无转子铁心。考虑到生产成本，在不改变定子铁心和转子的前提下，并且保持额定电压及额定转速不变，仅通过改变定子绕组的匝数和线径，并利用三维瞬态有限元法设计出不同功率的永磁同步屏蔽电机。最后样机实测结果与计算结果的一致性较好，验证了计算结果的有效性。

1 永磁屏蔽电机的结构

1.1 电机结构

通用型永磁屏蔽电机的三维结构如图1所示。它采用6槽4极的结构，具有结构简单、成本低等优点。由于采用永磁励磁，无转子铁耗，故效率较高。其主要结构参数如表1所示。定子铁心硅钢片牌号为50W470。

(a)定子(b)转子

图1 通用型永磁屏蔽电机模型

1.2 永磁体

为了克服传统双凸极永磁电机转子牢固性差的缺点，将转子设计成图1(b)所示的4极结构形式。这种结构的永磁极弧系数为1，无转子铁心，结构简单，易于制造，且成本低，非常适合用于永磁屏蔽电机中。

永磁屏蔽电机通常都采用铁氧体或者钕铁硼作为永磁体材料。但由于钕铁硼材料价格较高且不耐高温，所以选用铁氧体作为永磁屏蔽电机转子磁体的材料。

1.3 定子

永磁屏蔽电机的定子由铁心和三相绕组组成。铁心由硅钢片叠压而成，三相绕组采用星形连接。 由于转子永磁体采用图1(b)所示的结构形式，为了减少漏磁，所以定子采用图1(a)的结构，即在定子的磁极加上极靴。

1.4 屏蔽套

屏蔽电机的定子内层和转子外层均套有一层屏蔽套，起到隔离与保护电机的作用。定转子的屏蔽套宜采用非磁性以及耐腐蚀的材料。为此选用304不锈钢作为屏蔽套的材料。这种材料的电阻率为0.73×10-6Ω·m，密度为7.93×103kg/m3。

1.5 转轴

由于永磁屏蔽电机工作环境中会遇到泥沙之类的坚硬固体颗粒，所以选用氧化铝陶瓷作为转轴材料。这种材料具有机械强度高、耐高温、成本低以及寿命长等优点，非常适合用于屏蔽电机的转轴。

2 电机三维磁场与绕组电感

在额定电压和定子铁心相同的情况下，定子绕组电阻值越小，电磁转矩就越大。为此在满足槽满率的前提下，只需改变定子绕组匝数和线径，于是改变了定子绕组的电阻值，从而改变了输出功率。表2中列出了3台不同功率电机的绕组数据。

表2 不同功率电机的绕组数据

由于永磁屏蔽电机的轴向长度较短，造成端部电感比例较大。而二维有限元法不能计算端部漏感，为此采用三维有限元法。三维有限元法在不同场合的原理各不相同[8]。在三维瞬态有限元方法中，采用式(1)求解:

(1)

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。

利用三维有限元法对永磁屏蔽电机进行电磁场分析，得到定转子的磁密分布矢量图如图2所示。

(a)定子磁密分布(b)转子磁密分布

图2 永磁屏蔽电机的磁密分布矢量图

电感是电机重要的参数之一。电感与磁链的关系[9]满足式(2):

(2)

式中：Ψa，Ψb，Ψc为各相绕组的全励磁磁链；L为每相绕组自感；M为两相绕组之间的互感；Ψf为永磁体产生的磁链；I为相电流；θ为转子的直轴轴线和a相绕组轴线的夹角。

通过电磁场计算，得到电机C的三相绕组磁链波形如图3所示。由式(2)，得到一个周期内3台电机的每相绕组自感波形如图4所示，两相绕组之间的互感波形如图5所示。

图3 电机C的三相绕组磁链波形

图4 3台电机每相绕组的自感

图5 3台电机两相绕组的互感

3 永磁屏蔽电机的损耗

3.1 水摩擦损耗

稳态运行时，永磁屏蔽电机的主要损耗包括定子绕组铜耗、定子铁心损耗、屏蔽套损耗以及水摩擦损耗等。前几种损耗可以通过三维有限元法得出。转子的水摩擦损耗可由式(3)计算得到:

(3)

式中：k2为介质的稠度、重度有关的系数，水介质一般取1.15；L2为转子屏蔽套的长度；n为转子的转速；D2为转子的外径。

由式(3)计算，可得到水摩擦损耗为0.479W。

3.2 定子绕组铜耗及三相感应电动势

电机绕组的铜耗在电机损耗中占有较大的比重，因此在分析电机时必须加以考虑。由式(4)得出3台电机定子绕组的铜耗，并列于表3中。

(4)

表3 3台电机的铜耗

利用三维有限元法，得到3台电机的三相感应电动势波形如图6所示。

(a)电机A(b)电机B

(b) 电机C

3.3 定子铁耗和屏蔽套损耗

电机的定子铁耗需要精确计算。利用三维有限元法以及式(5)，得到3台不同功率电机的铁耗波形，如图7所示，并将其结果列于表4中。

(5)

式中：Kh为磁滞损耗系数；Ke为涡流损耗系数；Kc为附加损耗系数；Bmax为磁密的最大值；f为电流频率。

图7 3台电机的铁耗波形

表4 铁耗和屏蔽套涡流损耗

永磁屏蔽电机有别于其他电机的损耗就在于屏蔽套损耗[3]。定子屏蔽套涡流损耗可由式(6)计算。

(6)

式中：k1为铁心长度对极距的比值相关的系数；kp为与极数相关的系数；Bm为气隙磁密幅值；ω为转子同步角速度；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。

式(6)称为经验公式，需要的假设包括：忽略屏蔽套的漏抗；屏蔽套的厚度要比直径小得多；磁通为正弦波，只考虑气隙磁场的基波分量；忽略屏蔽套在定子以外的端部电阻。

转子屏蔽套的涡流损耗虽然数值较小，但是也需要精确计算。

考虑到经验公式有这些弊端，因此采用三维有限元法进行磁场计算。在获得永磁同步屏蔽电机磁场分布和涡流分布的前提下，定转子屏蔽套的涡流损耗：

(7)

式中：Ji为单元涡流密度；Δili为单元体积；σB为屏蔽材料的电导率；Ne为剖分单元的总数。

利用三维瞬态有限元法，得到电机C的定子屏蔽套涡流损耗的分布,如图8所示。3台电机屏蔽套总涡流损耗波形如图9所示。铁耗和屏蔽套涡流损耗如表4所示。

图8 定子屏蔽套的涡流损耗分布图

图9 3台电机的屏蔽套总涡流损耗波形

4 永磁屏蔽电机的电磁转矩和效率

利用三维有限元法，可得到3台电机分别对应的电磁转矩波形如图10所示。从图10可以看出，随着定子电阻的增加，定子电流减小，从而电磁转矩也相应减小。

图10 3台电机的电磁转矩波形

电磁转矩与电磁功率关系式：

(8)

电机额定转速为3 000r/min。由式(8)，可得到3台电机的电磁转矩和电磁功率，如表5所示。

效率是电机设计的重要指标之一[10]。由式(9)和式(10)，可以得出3台不同功率电机的效率，并列于表6中。

(9)

(10)

式中：pB2为转子屏蔽套的涡流损耗。

表5 3台电机的电磁转矩和电磁功率

表6 3台电机的效率

5 样机测试

在理论计算的基础上，制作了样机。图11是制作的样机C实物图片。

图11 永磁屏蔽电机样机

该样机在额定负载、额定频率下运行，利用示波器测量该样机的相电压和相电流，利用测功机测量样机的输出功率和功率因数，于是获得电机效率等参数。并利用数字电桥法测量绕组电感参数。结果列于表7中。可以看出，计算结果和实测结果一致，验证了计算结果的有效性。

表7 样机C的计算值和实测值

6 结 语

永磁屏蔽电机广泛用于管道屏蔽电泵中。本文采用三维有限元方法设计了通用型永磁同步屏蔽电机。该类永磁屏蔽电机无转子铁心，永磁极弧系数为1，成本低，结构简单易于制造。考虑到生产成本，在没有改变定子铁心和转子的前提下，并且保持额定电压及额定转速不变，仅通过改变定子绕组的匝数和线径，设计了不同功率的永磁同步屏蔽电机。利用三维瞬态有限元法计算了3台不同功率电机的各种损耗及效率等性能参数。最后，样机实测结果与计算结果一致，验证了计算结果的正确性。

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Electromagnetic Design of Permanent Magnet Synchronous Canned Motors

NIYou-yuan1,2，YUChang-cheng1，HUANGYa1

(1.Hefei University of Technology，Hefei 230009，China;2.Collaborative Innovation Center of Industrial Energy-Saving and Power Quality Control，Hefei 230601，China)

Different powers of general type permanent magnet synchronous canned motor were designed using a three dimensional (3D) transient finite element method (FEM). The permanent magnet motor has a pole arc coefficient of unity, no rotor iron core, and a simple structure. Because the leakage inductance of the winding end can not be computed using a two dimensional (2D) FEM, a 3D FEM is used. Considering manufacture cost, on the basis of no change of original stator core and rotor, only by changing the number of winding turns and wire diameter, three different powers of general permanent magnet canned motors were designed with the same voltage and speed. In addition, the performance parameters of three different powers of motors were derived using the 3D FEM, including all kinds of losses and efficiency. Finally, the measured results are consistent with the calculation results for the prototype, which verified the correctness of the calculation results.

permanent magnet canned motor; 3D transient FEM; eddy current loss; can

2015-03-03

安徽省自然科学基金项目(1508085ME89);安徽省工业节电与电能质量控制协同创新中心开放课题基金(KFKT201502)

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)04-0001-04

倪有源(1976-), 男,博士,副教授,研究方向为电机设计及其控制。