(改)稀土永磁电机的高效设计方法探讨

稀土永磁电机的高效设计方法探讨报告人：郑萍单位：哈尔滨工业大学2018.07.132目录（一）高效稀土永磁电机设计理论（四）效率与加工工艺的关系（二）效率与其他指标的综合考虑（三）效率与材料的关系3目录（一）高效稀土永磁电机设计理论（四）效率与加工工艺的关系（二）效率与其他指标的综合考虑（三）效率与材料的关系4航空航天电动汽车机器人国防工业大型发电设备逐年增长趋势电机用电60%发电95%截止2016年末，我国电机年产量达343.52亿台，是全球电机产量最大的国家；我国中小型电机的平均效率低于国际先进水平。电机效率每提高2-3%，可节省一个三峡电站的发电量。2012-2016年中国电机年产量（一）高效稀土永磁电机设计理论5100%1100%PPPPPP铜损输出铁损机械损耗输入输入（）提高效率的两项原则：一、增加电机的输出功率二、减小电机的各项损耗稀土永磁电机效率计算公式（一）高效稀土永磁电机设计理论62Fe1100%1100%cosPPmIRPPmUI可变损耗不变损耗输入（）（）电动汽车用电机设计时，一般在基速点使铜损等于铁损，低速区域铜损大于铁损，高速区域铁损大于铜损。针对电动汽车用电机，电机在基速点附近工作时，忽略机械损耗，可以近似认为铁损为不变损耗，铜损为可变损耗。对效率公式求极值可知，当铜损等于铁损时，效率达到最大值。稀土永磁电机效率计算公式（一）高效稀土永磁电机设计理论7高速电机应采用低磁密的设计以减小铁损;低速力矩电机应采用高磁密的设计以减小铜损。铜损铁损电负荷磁负荷电密磁密裂比槽宽齿宽减小铜损：降低电密，加强冷却，减少绕组端部长度等；减小铁损：降低铁心磁密，选择低损耗的铁心材料等；减小永磁体损耗：永磁体分块，减少谐波磁场等。减小各项损耗（一）高效稀土永磁电机设计理论8永磁体周向分块700r/min1000Nm不分块971W周向分2块556W周向分3块350W轮毂电机永磁体周向分块前后永磁体损耗对比减小各项损耗（一）高效稀土永磁电机设计理论永磁体轴向分块700r/min1000Nm不分块830W轴向分2块635W轴向分3块470W轴向分4块370W轮毂电机永磁体轴向分块前后永磁体损耗对比9对于图示的永磁电机，仅有B处的磁场近似为交变磁场，A、C、D、E处的磁场均为椭圆形旋转磁场。因此，仅考虑交变磁化对铁磁材料的影响的铁损计算是不准确的。铁损计算准确性（一）高效稀土永磁电机设计理论10tthtetaPPPP20[(1)]thrhkBkBkahkkPPRRPRBk为k次谐波磁密的短轴与长轴之比Prhk为以k次谐波磁密的长轴为半径的圆形旋转磁化的磁滞损耗Pahk为以k次谐波磁密的长轴为幅值的交变磁化的磁滞损耗Bkmaj为k次谐波磁密的长轴大小Bkmin为k次谐波磁密的短轴大小将电机某部位的任意形状的磁密进行傅里叶分解，对得到的一系列的椭圆形的谐波磁密计算铁损。222majmin0()()teekkkPCkfBB223/43/20()()1[()()](2)TarrtadBtCdBtPTdtdtFeheaPPPPhhmPkfB22eemPkfB1.51.5aamPkfB经典铁耗计算理论仅需知道磁场的交变频率和幅值就可计算电机的铁耗。kh为磁滞损耗系数ke为涡流损耗系数ka为附加损耗系数铁损计算准确性（一）高效稀土永磁电机设计理论11采用永磁体内置式转子结构00coseqmIETmpIΩ200cossin2()()2eqdqqddqmIEmITXXmpImpLLIIΩΩ表贴式结构输出转矩内置式结构输出转矩假设内置式和表贴式电机的主磁通相同，二者的永磁转矩相同，内置式电机可以多提供一部分磁阻转矩，进而使总的电磁转矩更大。永磁转矩永磁转矩磁阻转矩提高输出功率（一）高效稀土永磁电机设计理论12采用最大转矩电流比控制20cossin2()2eqdmPmIEIXX内置式稀土永磁电机电磁功率表达式00eqPmIEmIE20max{cossin2()}2eqdmPmIEIXX采用id=0控制采用最大转矩电流比控制易知，后者在相同的电流下可输出更大转矩，因而在控制器容量一定的情况下，可以提高输出功率，进而提高电机效率。提高输出功率（一）高效稀土永磁电机设计理论13采用Halbach永磁体结构45°Halbach阵列（每极四块磁钢）采用Halbach充磁的永磁电机具有以下优点：1.气隙磁密基波幅值大、谐波含量少，电机可以输出更大的转矩；2.Halbach永磁体结构具有磁自屏蔽性，转子磁场单边分布，可以增加永磁体极限厚度，进一步提高气隙磁密，增加转矩。60°Halbach阵列（每极三块磁钢）90°Halbach阵列（每极两块磁钢）提高输出功率（一）高效稀土永磁电机设计理论14目录（一）高效稀土永磁电机设计理论（四）效率与加工工艺的关系（二）效率与其他指标的综合考虑（三）效率与材料的关系15一般来说，效率和功率密度是相互制约的提高电机的效率一般会引起功率密度的降低。通常，电机的效率和功率密度需要兼顾。相同功率高电磁负荷低电磁负荷效率功率密度效率功率密度效率和功率密度（二）效率与其他指标的综合考虑16采用加强冷却的方式，可以同时提高效率和功率密度。1）加强冷却可降低温升，减小铜损；减小永磁体磁性能温度损失，提高输出，从而提高效率。2）加强冷却后可采用更高的电磁负荷，从而提高功率密度。自然冷却风冷水冷油冷车用电机冷却方式的发展历程效率和功率密度（二）效率与其他指标的综合考虑17与普通电机相比，高效节能电机的总损耗降低20%以上，效率可提高4%以上，运行时间越长，节电效果越明显。提高电机的效率会引起电机制造成本的上升。但电机的运行成本会下降，一般电机的寿命可达到20年左右。效率和成本（二）效率与其他指标的综合考虑18能效效率值（%）年度耗电（度）年节电（度）年节电额（元）估计价格（元）估计回报期（年）3级92.924703900600002级94.02441482891159071000.691级96.423807089694932110001.01据科学计算，节约1度电相当于减少了0.997千克二氧化碳的排放，对于全国的电机来看，如果全部更换成高效电机，会产生非常大的节能效益，为全球温室气体的减排做出巨大贡献。以一台45kW额定转速3000r/min变频驱动永磁同步电机为例，效率值参照GB30253-2013：效率和成本（二）效率与其他指标的综合考虑19目录（一）高效稀土永磁电机设计理论（四）效率与加工工艺的关系（二）效率与其他指标的综合考虑（三）效率与材料的关系20电机材料性能对电机效率会有很大影响。新材料的应用有助于电机效率的提高。硅钢片非晶合金软磁复合材料（SMC）传统铁心材料新型铁心材料高效稀土永磁电机材料选用（三）效率与材料的关系21高效稀土永磁电机材料选用（三）效率与材料的关系性能指标冷轧硅钢片SMC铁基非晶合金饱和磁感(T)1.8-2.01.8-2.01.56矫顽力(A/m)304最大磁导率4×1041×10425×104损耗(W/kg)50Hz1.5TP=3.050Hz1TP=6.850Hz1.3TP0.2叠片系数0.95近10.90-0.93电阻率(μΩ·cm)45130密度(g/𝑐𝑚3)7.607.507.18抗拉强度(Mpa)3431500维氏硬度(HV)181900厚度(μm)35030SMC材料具有饱和磁感高，涡流损耗小，各向同性的优势，但其磁导率低，磁滞损耗大，机械强度低。铁基非晶合金具有高磁导率，高电阻率，磁性能高频衰减缓慢，铁心损耗可比硅钢片下降85%-95%，但非晶合金饱和磁感相对较低。220500010000150002000025000300000.00.30.60.91.21.51.82.1B(T)H(A/m)硅钢片(DW315-50)非晶(2605SA1)SMC(Somaloy700)三种材料基本磁化曲线三种材料在B=1T的损耗特性三种材料中硅钢片饱和磁密最高约为1.9T，SMC材料约为1.8T，非晶材料最低约为1.3T；非晶材料单位损耗明显低于其他两种材料，频率较低时，SMC单位损耗高于硅钢片，随着频率的增加，SMC单位损耗将会低于硅钢片。高效稀土永磁电机材料选用（三）效率与材料的关系23根据上述SMC材料的特点，有两类电机最适合使用SMC材料。横向磁通电机爪极电机一类是具有复杂形状及磁路的电机。如横向磁通电机、爪极电机及轴向磁场电机等。另一类是在较高频率下工作的电机。这种情况下硅钢片会产生较大的涡流损耗，此时SMC材料的涡流损耗小的优势会得以很大程度发挥。铁心材料选取-软磁复合材料(SMC)（三）效率与材料的关系24定子铁心采用SMC材料，定子轭可以覆盖绕组端部，可以提高绕组利用率。同时，转子铁心可相应地沿轴向伸长，永磁体用量相应增加。铁心材料选取-软磁复合材料(SMC)（三）效率与材料的关系25SMC材料覆盖绕组端部，永磁体用量增加，反电势基波幅值从122.4V提高到150.2V。铁心材料选取-软磁复合材料(SMC)（三）效率与材料的关系26空载负载(正弦波驱动)负载(方波驱动)磁滞损耗(W)永磁体4.794.774.89转子5.486.086.42定子(SMC)65.9568.0571.80涡流损耗(W)永磁体110.11173.40226.51转子39.2176.15105.08定子(SMC)22.4523.2529.25总损耗(W)247.99351.70443.95涡流损耗主要由永磁体产生，磁滞损耗主要由定子（SMC）产生。铁心材料选取-软磁复合材料(SMC)（三）效率与材料的关系27高速非晶电主轴非晶合金适用于高频电机应用场合：电动车驱动电机、高速电主轴、航空发电机、舰船发电机和其他军事领域等。优点：非晶铁心损耗可比硅钢铁心降低85~95%具有高磁导率、高电阻率、耐蚀性、耐磨性、高强度、硬度和韧性磁性能高频衰减缓慢，适合应用于高频电机缺点：硬度过高且极脆，不易加工，机械应力敏感性高。铁心材料选取-非晶合金（三）效率与材料的关系28目录（一）高效稀土永磁电机设计理论（四）效率与加工工艺的关系（二）效率与其他指标的综合考虑（三）效率与材料的关系29硅钢片的绝缘非常重要为保证内外圆尺寸的一致性，需要对不一致处进行精加工，容易产生加工面上的片间短路，增加表面损耗。转子铁心的表面损耗：硅钢片加工工艺（四）效率与加工工艺的关系21.500()()ApkBtZnB0为齿谐波磁密最大值t为齿谐波磁场极距的二倍Z为定子槽数n为电机转速1.5011()604k30对采用热套法的电机，硅钢片受到的圆周方向应力会使得磁导率减小，铁损增加。可采用键槽固定铁心等方法减小硅钢片上的应力，从而减小铁损。Exp.实验（a）考虑应力和转子形变（b）考虑应力，忽略转子形变（c）忽略应力和转子形变不论转速高低，应力对铁损影响较大，一般不可忽略高速时转子形变对铁损有影响硅钢片加工工艺（四）效率与加工工艺的关系31破坏冲片绝缘增加铁心损耗铁心压装叠压系数低引起振动噪声，损坏绝缘运行中可能会发生冲片松动压力过大压力过小铁心压装工艺（四）效率与加工工艺的关系32金属镀层永磁体使用金属镀层时，会在镀层内产生涡流损耗。当金属镀层的永磁体表面互相接触时，会在各永磁体之间产生较大的涡流损耗。环氧镀层永磁体由于环氧镀层的绝缘特性，永磁体环氧镀层可以有效减小涡流损耗。永磁体环氧镀层加工工艺绿色环保,对环境危害小。永磁体镀层工艺（四）效率与加工工艺的关系33优点：绕组槽满率高绕组端部短散热能力强电机功率密度高适于批量化生产缺点：特制的导体绕线扁铜线集肤效应线径匝数难调整，难系列化绝缘、焊接一致性要求高绕组制造需要专用设备，投入成本高Hairpin绕组工艺（四）效率与加工工艺的关系34槽满率0