带有不同屏蔽层结构的高速永磁电机转子涡流损耗分析与实验验证

李 伟，江晓波，孙 鲁，彭辉灯

(1.贵州航天林泉电机有限公司(国家精密微特电机工程技术研究中心)，贵州 贵阳 550008；2.空装成都局驻贵阳地区第一军代表室，贵州 贵阳 550008)

0 引言

高速永磁电机由于其高功率密度、高效等优点，在航空起发电机、高速磨床、飞轮储能等方面有着广泛的应用[1-2]。但由于高速电机转子散热条件差，永磁电机高频谐波电流在转子上产生大量的涡流损耗，易造成永磁体温升过高，甚至发生不可逆失磁[3-4]。为了提高高速永磁电机的设计精度和运行稳定性，抑制转子涡流损耗至关重要。

为减小高速永磁同步电机的转子涡流损耗，目前已有大量文献对涡流损耗抑制方法进行研究。文献[5-6]研究了不同极槽配合对各次时空谐波含量的抑制作用，并进一步研究不同相数电机气隙磁密谐波畸变率和绕组损耗系数变化规律。文献[7-8]研究了不同绕组形式对转子涡流损耗的影响，采用分数槽集中绕组可以有效地增大电机的效率，但会引入额外的谐波增大转子的涡流损耗。而采用双层绕组可以有效地抑制转子涡流损耗。此外针对采用分数槽集中绕组的电机，为进一步优化其性能，文献[9]采用定子齿部开辅助槽的方法优化气隙磁密，减小磁导谐波含量，有效地抑制转矩脉动和转子的涡流损耗。

除了优化定子结构抑制转子涡流损耗，也可以通过优化转子结构减小涡流损耗。文献[10-11]将永磁体表面做开槽处理，切断永磁体上的涡流回路，降低涡流大小。而永磁体完全分隔会增加成本，降低转子机械鲁棒性，采用环形分割的方法能够在保证电机机械鲁棒性的前提下，减小转子的涡流损耗。针对带有金属护套的高速永磁电机，分别采用护套周向和轴向开槽的方法在保证电机性能的条件下抑制金属护套的涡流损耗[12-13]。文献[14-16]针对带有屏蔽结构的电机进行涡流密度分布分析，利用屏蔽层高电导率特性屏蔽电流高次谐波在永磁体中产生的损耗，并在此基础上提出了一种局部屏蔽结构，在抑制永磁体损耗的基础上减小了屏蔽层的损耗。此外文献[17]提出一种转子叠片铜阻尼环结构，此种结构对于抑制单层绕组的电机转子涡流损耗效果尤其明显。

本文针对高速永磁电机转子屏蔽结构进行分析，对比内外层屏蔽结构以及屏蔽层开槽对转子涡流损耗的影响。针对开槽的笼型屏蔽结构进行开槽参数优化计算，得到转子涡流损耗最低时笼型屏蔽结构的参数。最后采用C型铁心实验验证屏蔽结构对涡流损耗的影响。

1 屏蔽结构对转子损耗的影响

1.1 单层护套屏蔽结构转子涡流损耗分布

表贴式高速永磁电机通过添加护套结构保证永磁体的机械性能，不同电导率的护套对转子的涡流损耗也起到屏蔽作用。

以一台40 kW电机为例分析各类屏蔽结构对转子涡流损耗的影响，样机主要参数见表1。为了提高计算精度，对永磁体和护套的外径处进行多层剖分以考虑各次谐波的趋肤深度影响，有限元模型如图1所示。

表1 电机的主要参数

图1 有限元模型和网格划分

分别对带有碳纤维护套和钛合金护套的永磁电机转子损耗进行分析。在不同转速下的转子涡流损耗分布如图2所示。

图2 不同转速下转子涡流损耗分布

从损耗分布图可以看出，当转速为15000 r/min、碳纤维作为转子护套时，涡流损耗主要集中在永磁体上，占转子总损耗的92.3%；钛合金作为转子护套时，护套上涡流损耗占转子总损耗的68.2%。当转速增大到30000 r/min时，钛合金护套上的涡流损耗显著增大，永磁体上的涡流损耗占转子总损耗的23%。

从计算结果可以看出，电导率较高的金属护套对高次谐波在转子上产生的涡流损耗具有屏蔽作用，在转速为15000 r/min时，转子总损耗与碳纤维护套转子损耗相比降低了12.3%。在转速增大到30000 r/min时，由于金属护套电导率高，护套损耗占比较高且迅速增大，远大于碳纤维作为护套时永磁体损耗增加量。导致转子总损耗与碳纤维护套相比增大了31.2%。由此可知，高电导率材料可有效地抑制转子的涡流损耗，但参数设计不合理时，对转子涡流损耗非但没有抑制作用，反而会使其显著增大。

1.2 屏蔽层结构对转子涡流损耗的影响

图3 不同屏蔽结构

为进一步减小高速永磁电机转子涡流损耗，分别对内外屏蔽结构以抑制高次谐波在转子上产生的损耗。结构模型如图3所示。其中屏蔽层材料采用铜(电导率为5800000 S/m)和铝(电导率为3300000 S/m)。在转速为30000 r/min时，转子涡流损耗分布如图4所示，不同屏蔽材料损耗变化如图5所示。

图4 不同屏蔽结构损耗分布

图5 不同屏蔽层材料对损耗的影响

从计算结果可以看出，采用屏蔽层结构能有效地抑制转子涡流损耗。碳纤维为护套、铜为屏蔽层材料时，采用内屏蔽层结构，使永磁体上的涡流损耗下降了77%，护套损耗变化较小，转子总损耗降低了17.6%。采用外屏蔽结构时，由于屏蔽层上的损耗增大导致转子损耗与内屏蔽层损耗相比上升6.9%。采用铝屏蔽层材料时，转子总损耗降低了6.5%。因此，在选用屏蔽层材料时，高电导率材料对高次谐波的抑制作用更为明显。

当钛合金为护套，铜为屏蔽层材料时，采用内屏蔽层结构，护套和永磁体涡流损耗变化较小，降低了约5.9%，而屏蔽层上产生了额外的损耗，是转子总损耗增大了5.6%。采用外屏蔽结构时，护套损耗降低了31.5%，但外屏蔽结构上产生了大量的涡流损耗。转子总损耗降低了9.2%。采用铝屏蔽层时，转子总的涡流损耗基本保持不变。由此可以看出，内屏蔽层结构对带有金属护套的电机转子涡流损耗难以起到屏蔽作用，且会使转子损耗增大。外屏蔽层结构对带有金属护套的电机可起到屏蔽作用，但由于外屏蔽结构需采用镀层结构，最外层的屏蔽层结构会产生大量额外的涡流损耗。因此外屏蔽层结构更实用于高电导率的金属护套转子结构，内屏蔽层结构更适用于碳纤维等低电导率护套结构的转子。

2 内屏蔽层周向分段对转子涡流损耗的影响

为了解决带有金属护套的永磁电机采用内屏蔽结构转子总损耗增大的问题，通过采用内屏蔽层分段的方法，增强屏蔽层结构涡流反作用进一步抑制金属护套的损耗，周向分段结构如图6所示。分段后转子涡流损耗分布如图7所示。

图6 屏蔽层分段结构

图7 屏蔽层分段后涡流和损耗分布

屏蔽层分段后，屏蔽层上的涡流回路增加，但由于屏蔽层电阻率极低，当屏蔽层上损耗增加量小于由于涡流反作用导致护套损耗的减小量时，转子总损耗即会降低。由计算结果可以看出，屏蔽层上损耗增大了73%，金属护套的损耗减小了23.3%。但由于屏蔽层上的损耗占比较小，转子总损耗降低了10.3%。接下来对屏蔽层分段数量进行分析。不同分段数量对转子损耗的影响如图8所示。

由图8可以看出，屏蔽层分段过多时，屏蔽层涡流回路增多，导致屏蔽层上的损耗迅速增大，导致转子涡流损耗增大明显。在分段数量为12段，即在每块永磁体所对应的屏蔽层区域分为3段时，转子总损耗达到最小。

图8 屏蔽层分段对转子涡流损耗的影响

3 屏蔽层结构实验验证

转子涡流损耗采用实验方法直接测量较为困难，采用C型铁心测试方法可以直接测出高频电流对涡流损耗的影响[18]。本文对带有护套和屏蔽结构的样品进行涡流损耗测量，以验证屏蔽层对高次谐波在转子上产生涡流损耗的抑制效果。实验平台如图9所示。

通过WT230分别在放置不同样品时进行损耗测试，采用测试线圈测量反电动势得到气隙磁密。

在保持气隙磁密度不变，频率为1000 Hz的情况下，可以分别得到放置样品和不放置样品时C型铁心的输入功率。测试功率和电流分别为P1、P2、I1、I2。则样本Ps的涡流损耗为：

(1)

通过该平台得到不同屏蔽层材料和不同护套材料时转子涡流损耗的大小如图10所示。以钛合金为护套时，被测样品涡流损耗随屏蔽层分段数量变化如图11所示。

图10 屏蔽层结构对样品涡流损耗的影响

图11 屏蔽层分段对涡流损耗的影响

由实验的结果可以看出，屏蔽层结构能够有效地抑制高次电流谐波产生的涡流损耗，将屏蔽层分段后，在采用低电导率的碳纤维护套时，铜材料内屏蔽结构下样品总损耗相比于无屏蔽层时损耗降低18.9%。高电导率的铜屏蔽层与铝屏蔽层相比损耗降低8.8%。采用高电导率的合金护套，样品涡流损耗随内屏蔽层分段数量损耗先减小后增大，当屏蔽层分为3段时相比于无屏蔽层降低了17.2%，验证了屏蔽层对转子涡流损耗的抑制作用。

4 结语

本文针对不同屏蔽结构进行适用性研究，并提出一种内屏蔽层分段的方法。通过在不同护套时对内外屏蔽层结构的转子涡流损耗计算可以看出，内屏蔽层结构适用于带有低电导率护套的转子结构，而外屏蔽层结构适用于带有高电导率护套的转子结构。此外屏蔽层电导率越高，屏蔽效果越明显，在设计屏蔽层材料时，需选择高电导率材料作为转子的屏蔽结构。

通过将内屏蔽层进行周向分段，增加了屏蔽层上涡流回路的数量，屏蔽层上的涡流反作用更为明显，进一步抑制了护套上的损耗，在高电导率材料作为护套时，同样可以对转子涡流损耗起到屏蔽作用，增强了屏蔽层的适用性。但分段数量过多时会增大屏蔽层损耗，使转子总损耗增加，在每块永磁体对应的屏蔽层区域分成3段时，转子损耗最小。