搜索
稀土永磁电机的研究与多物理场分析唐任远国家稀土永磁电机工程技术研究中心靠电流产生稀土永磁产生效率低功率因数低可靠性低高效、高功率因数结构简单、运行可靠体积小、重量轻形状和尺寸灵活多样电机磁场反应快，动态性能好稀土永磁电机与电力电子技术、现代控制技术等先进技术相结合可以部分替代传统的电励磁电机可以实现电励磁电机所难以达到的高性能稀土永磁电机的发展方向大功率化高功能化微型化小型大型功率体积重量几mW直径0.8mm、长1.2mm几十MW直径12m一百多吨转速几小时1转每分钟几十万转应用场合遍及计算机、工程装备、交通运输、风力发电、家用电器、医疗设备、航空、航海、航天、兵器等各个领域，显示出了强大生命力。电机结构也不再局限于传统的径向磁通结构，出现了无铁心、轴向磁通、横向磁通、直线、双定子、双转子等新型结构。中国的稀土资源丰富品种全、质量高、得天独厚！2005年世界稀土资源分布状况1996年2006年烧结钕铁硼产量分布我国钕铁硼永磁产量占绝对优势中国稀土矿的储量居世界首位，烧结钕铁硼永磁的产量约占世界总产量的四分之三左右。这一得天独厚的丰富资源为中国稀土永磁电机的发展和应用提供了极为有利的条件。稀土永磁电机追求达到高功率密度、高效率、高动态响应和低速平稳性、低振动噪声电机的电磁负荷高，结构新颖而又多样，增加了设计分析、仿真计算和研究开发的复杂性。电机内存在着多种不同类型的多场耦合系统涉及到电磁、机械、电子、流体、热学等多个学科相互影响运用和发展多场耦合系统，弄清各种场的分布规律及其控制技术。在此基础上对各种参数进行综合分析比较和优化。分类1新型结构永磁电机2永磁发电机3交流永磁伺服电动机4高效异步起动永磁电动机1新型结构永磁电机随着电动车、磁悬浮列车和舰船电力推进等大功率电气传动技术的发展,人们对低速、高转矩密度、直接驱动电机的要求日益迫切,以减小电机的体积、重量和原材料的消耗,提高电机的功率（转矩）密度。轴向磁通（盘式）永磁电机横向磁通永磁电机无铁心永磁电机为更好地适应这些特殊行业的需要，在传统径向磁通永磁电机的基础上出现了:1.1盘式永磁电机盘式永磁电机的气隙是平面型的，气隙磁场是轴向的，可以使电机制成扁平型，可获得很高的转矩密度。如制成多气隙组合式结构，可以进一步提高转矩，特别适合于大转矩直接驱动装置。1.1盘式永磁电机盘式永磁电机结构a)单边b)外转子c)内转子d)多盘1.1盘式永磁电机盘式永磁电机的优点是转矩密度高，由此带来的关键技术之一是冷却系统的合理设计和电机温度场分布，需要进行三维流场-温度场耦合分析。1.1盘式永磁电机电机的温度场分布取决于冷却介质和损耗的分布，为了能够获得电机温度的准确分布，需要建立永磁电机磁场－电路－流场－温度场的耦合计算模型，在产品开发阶段完成热性能分析，从而降低试验成本，缩短设计周期。磁场分布磁场－电路耦合计算电流波形1.1盘式永磁电机磁场－电路耦合计算焦耳热流场－温度场耦合计算的热源1.1盘式永磁电机1.1盘式永磁电机流速分布转子的温度场分布电机整机的温度场分布180kW盘式永磁电机其转矩密度达8.5kN/m2，为传统电机的2倍左右。1.1盘式永磁电机1.2横向磁通永磁电机传统电机的齿和槽在同一平面内，齿宽和槽宽互相制约。改成横向磁通电机后可以使转矩密度相当于传统结构电机的2～5倍，特别适用于车、船等直接驱动场合。传统径向磁通电机的磁路1.2横向磁通永磁电机横向磁通永磁电机结构复杂,内部磁场呈复杂的三维分布,在转子和定子铁心的齿部,磁通沿径向流通,而定子铁心轭部的磁通沿轴向流通,流通方向相互垂直。横向磁通电机的磁路需要用三维电磁场分析计算来弄清其电磁场分布规律和优化设计规律，进而提高其性能。横向磁通电机的一种典型结构图1.2横向磁通永磁电机定子结构1.2横向磁通永磁电机转子结构1.2横向磁通永磁电机1.2横向磁通永磁电机电机磁密分布端部漏磁很大。定子齿外端的磁密较低，越往里齿磁密越高，在轭部与齿部的交接面最高。1.2横向磁通永磁电机气隙磁密分布图每一个气隙带的磁密分布相间，呈半正弦波形的磁密分布，即一段磁密达到正的最大幅值，而相连的下一段则出现零磁密。1.2横向磁通永磁电机气隙磁密分布图对于内外气隙磁密带，分布正好相对，即外气隙带出现磁密正的最大幅值时，内气隙带则出现零磁密，反之亦然。1.2横向磁通永磁电机15kW横向磁通永磁电机照片功率因数为0.8，转矩密度为传统电机的2.5倍左右。横向磁通永磁电机实验中1.2横向磁通永磁电机传统电机的磁场是由电流产生的，为了减少磁路的磁阻，都选用高磁导率的硅钢片叠压制成定、转子铁心，导致体积大、重量大(铁心重占总重的60%左右)、损耗大(铁心损耗占总损耗的20%~30%)、振动噪声大(铁心有齿有槽是产生电磁噪声的根源)，难以满足高性能调速系统的要求。1.3无铁心永磁电机利用钕铁硼永磁高矫顽力（约900kA/m）的优异特性而不用或少用硅钢片，制成无铁心永磁电机，则电机的重量可以大幅度下降、效率提高、振动噪声显著降低，同时具有更低的转动惯量、更快的响应速度、更宽的调速范围、更长的使用寿命。1.3无铁心永磁电机无铁心电机的三维磁场是开域的，分析计算的关键技术之一是如何确定三维开域场的边界条件和对计算结果的有效处理。无铁心永磁电机气隙表面磁密的矢量分布无铁心电机磁密矢量分布图从图中可以看出,沿圆周方向,磁场呈周期性分布,在电机的端部有一个很大的轴向分量磁密。1.3无铁心永磁电机已制成的2.2kW8极无铁心永磁电机的实物照片，其效率90％，功率密度比传统电机提高1倍以上，噪声57dB。电机定子、转子实物照片1.3无铁心永磁电机无铁心电机与同规格Y2系列感应电动机的对比分析电机型号Y2-132S-8TYB2200-750比较结果中心高132112额定功率/W22002200效率/％78.089.8提高11.8％功率因数0.710.95提高0.24功率密度/W·kg－133.8568.75提高103％噪声/dB(A)7157降低14dB（A）1.3无铁心永磁电机该类电机在数控机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等要求较高的控制场合具有广阔的应用前景。2永磁发电机永磁发电机直驱低速永磁风力发电机半直驱式永磁风力发电机混合励磁发电机2.1直驱低速永磁风力发电机当前，兆瓦级风力发电机在风电场中占主导地位，而直驱永磁风力发电机组的应用越来越广泛，它省去了增速齿轮箱，大大提高了可靠性和效率，提高了单位kW的发电量。国内已成功开发出1~3MW的直驱永磁风力发电机，每分钟只有十几转。单支撑结构的直驱式永磁风力发电机结构图2.1直驱低速永磁风力发电机2.1直驱低速永磁风力发电机由于电机结构及受力情况比较复杂，采用传统的计算已经不能满足要求，故需采用有限元软件对电机进行强度和刚度分析计算。计算时对模型接触进行一定简化，对模型施加相应载荷及约束进行强度分析，可得到不同构件的位移场分布矢量图及重力方向位移云图。2.1直驱低速永磁风力发电机转子支架位移场分布矢量图及重力方向位移云图锥形支撑位移场分布矢量图及重力方向位移云图2.2半直驱式永磁风力发电机由于在同样功率时，电机的重量与其转速成反比，MW级的直驱永磁风力发电机重几十吨，甚至一百多吨，运输和吊装都比较困难。发电机的吊装图每台电机用钕铁硼永磁1吨多。因此又出现了经一级齿轮增速的半直驱式永磁风力发电机，150～200rpm，重量可以成倍减小。半直驱永磁风力发电机2.2半直驱式永磁风力发电机2.3混合励磁发电机在发电机运行中为了保持电压不变，需要进行磁场调节。对于永磁发电机来说，转速的变化或负载电流的变化会造成输出电压的变动，但由于永磁电机的气隙磁场是由永磁体和磁路磁导决定的，调节气隙磁场困难而导致电压调节困难。综合电励磁及永磁体励磁两种电机优点混合励磁同步发电机可以根据电压的变化通过改变电励磁电流的大小和方向来调节磁场，进而调节电压实现了无刷化，免维护辅助电励磁部分的损耗小，保留了永磁发电机的高效率特点2.3混合励磁发电机混合励磁发电机的一种典型结构2.3混合励磁发电机以一台功率为7.5kW、4极混合励磁发电机为例样机的定子和转子2.3混合励磁发电机该电机具有以下特点：（1）不加电励磁时，发电机的固有电压调整率为10.72%；加电励磁时，发电机的电压调整率仅在1%的范围内(3)效率高，在额定负载时，效率达91.26%(4)空载线电压波形畸变率小，仅为1.98%(2)调节特性基本呈直线分布，调节特性好2.3混合励磁发电机3交流永磁伺服电动机高性能永磁交流伺服电动机的优点有动态响应速度快低速平稳性好效率高、功率因数高转动惯量小它广泛用于机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等场合。3.1转矩脉动仿真及抑制近年来永磁交流伺服电机采用槽数与极数接近的分数槽绕组越来越多，通过三维电磁场分析可得，由于采用槽数与极数相近的分数槽绕组，在电机的漏磁通中存在着齿顶漏磁通。齿顶漏磁示意图永磁体产生的磁通通过气隙进入定子后，有一部分经过定子齿后又返回转子，并未匝链定子绕组，这部分磁通称为齿顶漏磁通。当极数和槽数相近时，齿顶漏磁通占整个漏磁通的比例很大，有的高达50.4%，需要进行详细分析计算。3.1转矩脉动仿真及抑制不同极槽配合的分数槽绕组产生的谐波次数及大小都是不同的，由此产生脉动转矩的大小不尽相同，采用有限元分析软件进行场路耦合仿真。8极9槽转矩脉动曲线不同极槽配合下的转矩波动极槽数8-98-368-48转矩波动9.4%13.2%17.6%3.1转矩脉动仿真及抑制对齿槽转矩需采取多种措施加以抑制，如：3.1转矩脉动仿真及抑制这些使三维磁场的计算更为复杂。优化磁极形状将定子槽斜槽或永磁体斜极增设辅助槽优化极弧因数措施之一是斜极在径向磁通电机中斜极的永磁体机构在轴向磁通电机中的斜极结构3.1转矩脉动仿真及抑制3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机的振动噪声高性能伺服系统要求电机的振动噪声很低，需要采取振动噪声抑制技术，为此需要进行三维瞬态磁场-声场额耦合分析计算。声场分析是流体—结构相互作用的耦合场计算，是瞬态的声学分析。流体和结构在网格界面处的相互作用引起声压施加给结构一个强迫力，并且结构运动产生一个有效的“流体载荷”。流固耦合边界标志3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机的振动噪声a）定子四阶模态b）整机七阶模态模态样机计算值/dB(A)实验值/dB(A)误差(%)162.860.763.4276.272.515.1382.982.01.1有限元计算噪声与实验结果对比3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机的振动噪声节点压力云图节点位移云图3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机的振动噪声有限元计算振动速度与实验结果对比样机计算值/mm﹒s-1实验值/mm﹒s-1误差(%)11.511.531.320.9921.022.7针对8极9槽、8极36槽和8极48槽三台径向结构永磁同步电动机对它们的噪声大小进行分析计算。选取了8极9槽、8极36槽和8极48槽三台径向结构永磁同步电动机对它们的噪声大小进行分析计算。不同极槽配合电磁噪声的计算极槽配合计算值dB（A）实测值dB（A）误差(%)8极9槽71.44702.068极36槽55.7659.66.448极48槽54.1450.76.793.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机的振动噪声在由脉宽调制（PWM）控制的永磁交流电动机组成的系统中，电流开关频率和时间谐波的影响更为显著。电动机的噪声与振动主要取决于以下几个因素：（1）极数和槽数的配合；（2）工作频率；（3）逆变器的开关（载波）频率；（4）机械固有频率和系统的模态。3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机的振动噪声空载声压级随开关频率和基波频率变化从开关频率的变化规律可见，开关频率越高，噪声越低。3.2三维瞬态磁场－声场耦合分析电机的振动噪声3.3高精度高速交流永磁伺服电动机右图显示开发的机床用交流伺服电动机机床用交流伺服电动机交流伺服电机使用中3.3高精度高速交流永磁伺服电动机机床用交流伺服电机主要性能指标性能指标堵转转矩6N·m12N·m22N·m效率/%8