倪有源，余長(zhǎng)城，黃 亞

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009; 2.工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制省級(jí)協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥 230601)

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通用型永磁同步屏蔽電機(jī)電磁設(shè)計(jì)

倪有源1,2，余長(zhǎng)城1，黃 亞1

(1.合肥工業(yè)大學(xué)，合肥 230009; 2.工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制省級(jí)協(xié)同創(chuàng)新中心，合肥 230601)

利用三維瞬態(tài)有限元法設(shè)計(jì)了不同功率的通用型永磁同步屏蔽電機(jī)。該電機(jī)為整體式永磁轉(zhuǎn)子，極弧系數(shù)為1，無(wú)轉(zhuǎn)子鐵心，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。由于二維有限元法無(wú)法計(jì)算繞組端部漏感，為此采用三維有限元法?？紤]到生產(chǎn)成本，在沒有改變定子鐵心和轉(zhuǎn)子的基礎(chǔ)上，保持額定電壓及額定轉(zhuǎn)速不變，僅通過(guò)改變定子繞組的匝數(shù)和線徑，從而改變了三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，并設(shè)計(jì)了不同功率的永磁同步屏蔽電機(jī)。利用三維瞬態(tài)有限元法計(jì)算出不同功率電機(jī)的各種損耗及效率等性能參數(shù)。最后，樣機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性。

永磁屏蔽電機(jī)；三維瞬態(tài)有限元法；渦流損耗；屏蔽套

0 引 言

管道屏蔽電泵具有安全環(huán)保以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于各類液體循環(huán)領(lǐng)域中[1]。屏蔽電泵使用的電機(jī)為屏蔽電機(jī)，主要是為了滿足工業(yè)中要求的無(wú)傳輸液體泄漏而設(shè)計(jì)的[2]。

屏蔽電泵工作時(shí)電機(jī)的本體完全處于傳輸?shù)囊后w中，為了將電機(jī)的電氣部分和傳輸液體隔離開，在電機(jī)的定子內(nèi)層和轉(zhuǎn)子外層各加入一層屏蔽套，將電機(jī)的定轉(zhuǎn)子屏蔽隔離，因此稱之為屏蔽電機(jī)[3]。

屏蔽電機(jī)的種類很多，早期使用的大多是感應(yīng)屏蔽電機(jī)[3-5]。但是感應(yīng)屏蔽電機(jī)普遍效率較低，不符合國(guó)家環(huán)保節(jié)能政策，有逐漸被淘汰的趨勢(shì)。近年來(lái)隨著永磁材料的日益發(fā)展以及節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高，永磁屏蔽電機(jī)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。使用永磁體不僅可以減少屏蔽電機(jī)的損耗，提高電機(jī)的效率，而且電機(jī)還具有較高的功率因數(shù)[6-7]。

根據(jù)控制方式不同，永磁屏蔽電機(jī)可分為永磁同步屏蔽電機(jī)和無(wú)刷直流永磁屏蔽電機(jī)。本文研究了小功率通用型永磁同步屏蔽電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)。該電機(jī)為永磁轉(zhuǎn)子，極弧系數(shù)為1，無(wú)轉(zhuǎn)子鐵心。考慮到生產(chǎn)成本，在不改變定子鐵心和轉(zhuǎn)子的前提下，并且保持額定電壓及額定轉(zhuǎn)速不變，僅通過(guò)改變定子繞組的匝數(shù)和線徑，并利用三維瞬態(tài)有限元法設(shè)計(jì)出不同功率的永磁同步屏蔽電機(jī)。最后樣機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果的一致性較好，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的有效性。

1 永磁屏蔽電機(jī)的結(jié)構(gòu)

1.1 電機(jī)結(jié)構(gòu)

通用型永磁屏蔽電機(jī)的三維結(jié)構(gòu)如圖1所示。它采用6槽4極的結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。由于采用永磁勵(lì)磁，無(wú)轉(zhuǎn)子鐵耗，故效率較高。其主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。定子鐵心硅鋼片牌號(hào)為50W470。

(a)定子(b)轉(zhuǎn)子

圖1 通用型永磁屏蔽電機(jī)模型

1.2 永磁體

為了克服傳統(tǒng)雙凸極永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子牢固性差的缺點(diǎn)，將轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)成圖1(b)所示的4極結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)的永磁極弧系數(shù)為1，無(wú)轉(zhuǎn)子鐵心，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制造，且成本低，非常適合用于永磁屏蔽電機(jī)中。

永磁屏蔽電機(jī)通常都采用鐵氧體或者釹鐵硼作為永磁體材料。但由于釹鐵硼材料價(jià)格較高且不耐高溫，所以選用鐵氧體作為永磁屏蔽電機(jī)轉(zhuǎn)子磁體的材料。

1.3 定子

永磁屏蔽電機(jī)的定子由鐵心和三相繞組組成。鐵心由硅鋼片疊壓而成，三相繞組采用星形連接。 由于轉(zhuǎn)子永磁體采用圖1(b)所示的結(jié)構(gòu)形式，為了減少漏磁，所以定子采用圖1(a)的結(jié)構(gòu)，即在定子的磁極加上極靴。

1.4 屏蔽套

屏蔽電機(jī)的定子內(nèi)層和轉(zhuǎn)子外層均套有一層屏蔽套，起到隔離與保護(hù)電機(jī)的作用。定轉(zhuǎn)子的屏蔽套宜采用非磁性以及耐腐蝕的材料。為此選用304不銹鋼作為屏蔽套的材料。這種材料的電阻率為0.73×10-6Ω·m，密度為7.93×103kg/m3。

1.5 轉(zhuǎn)軸

由于永磁屏蔽電機(jī)工作環(huán)境中會(huì)遇到泥沙之類的堅(jiān)硬固體顆粒，所以選用氧化鋁陶瓷作為轉(zhuǎn)軸材料。這種材料具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、成本低以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于屏蔽電機(jī)的轉(zhuǎn)軸。

2 電機(jī)三維磁場(chǎng)與繞組電感

在額定電壓和定子鐵心相同的情況下，定子繞組電阻值越小，電磁轉(zhuǎn)矩就越大。為此在滿足槽滿率的前提下，只需改變定子繞組匝數(shù)和線徑，于是改變了定子繞組的電阻值，從而改變了輸出功率。表2中列出了3臺(tái)不同功率電機(jī)的繞組數(shù)據(jù)。

表2 不同功率電機(jī)的繞組數(shù)據(jù)

由于永磁屏蔽電機(jī)的軸向長(zhǎng)度較短，造成端部電感比例較大。而二維有限元法不能計(jì)算端部漏感，為此采用三維有限元法。三維有限元法在不同場(chǎng)合的原理各不相同[8]。在三維瞬態(tài)有限元方法中，采用式(1)求解:

(1)

式中：A為磁矢位；Js為電流密度；v為物體的運(yùn)動(dòng)速度；σ為介質(zhì)電導(dǎo)率。

利用三維有限元法對(duì)永磁屏蔽電機(jī)進(jìn)行電磁場(chǎng)分析，得到定轉(zhuǎn)子的磁密分布矢量圖如圖2所示。

(a)定子磁密分布(b)轉(zhuǎn)子磁密分布

圖2 永磁屏蔽電機(jī)的磁密分布矢量圖

電感是電機(jī)重要的參數(shù)之一。電感與磁鏈的關(guān)系[9]滿足式(2):

(2)

式中：Ψa，Ψb，Ψc為各相繞組的全勵(lì)磁磁鏈；L為每相繞組自感；M為兩相繞組之間的互感；Ψf為永磁體產(chǎn)生的磁鏈；I為相電流；θ為轉(zhuǎn)子的直軸軸線和a相繞組軸線的夾角。

通過(guò)電磁場(chǎng)計(jì)算，得到電機(jī)C的三相繞組磁鏈波形如圖3所示。由式(2)，得到一個(gè)周期內(nèi)3臺(tái)電機(jī)的每相繞組自感波形如圖4所示，兩相繞組之間的互感波形如圖5所示。

圖3 電機(jī)C的三相繞組磁鏈波形

圖4 3臺(tái)電機(jī)每相繞組的自感

圖5 3臺(tái)電機(jī)兩相繞組的互感

3 永磁屏蔽電機(jī)的損耗

3.1 水摩擦損耗

穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，永磁屏蔽電機(jī)的主要損耗包括定子繞組銅耗、定子鐵心損耗、屏蔽套損耗以及水摩擦損耗等。前幾種損耗可以通過(guò)三維有限元法得出。轉(zhuǎn)子的水摩擦損耗可由式(3)計(jì)算得到:

(3)

式中：k2為介質(zhì)的稠度、重度有關(guān)的系數(shù)，水介質(zhì)一般取1.15；L2為轉(zhuǎn)子屏蔽套的長(zhǎng)度；n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；D2為轉(zhuǎn)子的外徑。

由式(3)計(jì)算，可得到水摩擦損耗為0.479W。

3.2 定子繞組銅耗及三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

電機(jī)繞組的銅耗在電機(jī)損耗中占有較大的比重，因此在分析電機(jī)時(shí)必須加以考慮。由式(4)得出3臺(tái)電機(jī)定子繞組的銅耗，并列于表3中。

(4)

表3 3臺(tái)電機(jī)的銅耗

利用三維有限元法，得到3臺(tái)電機(jī)的三相感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)波形如圖6所示。

(a)電機(jī)A(b)電機(jī)B

(b) 電機(jī)C

3.3 定子鐵耗和屏蔽套損耗

電機(jī)的定子鐵耗需要精確計(jì)算。利用三維有限元法以及式(5)，得到3臺(tái)不同功率電機(jī)的鐵耗波形，如圖7所示，并將其結(jié)果列于表4中。

(5)

式中：Kh為磁滯損耗系數(shù)；Ke為渦流損耗系數(shù)；Kc為附加損耗系數(shù)；Bmax為磁密的最大值；f為電流頻率。

圖7 3臺(tái)電機(jī)的鐵耗波形

表4 鐵耗和屏蔽套渦流損耗

永磁屏蔽電機(jī)有別于其他電機(jī)的損耗就在于屏蔽套損耗[3]。定子屏蔽套渦流損耗可由式(6)計(jì)算。

(6)

式中：k1為鐵心長(zhǎng)度對(duì)極距的比值相關(guān)的系數(shù)；kp為與極數(shù)相關(guān)的系數(shù)；Bm為氣隙磁密幅值；ω為轉(zhuǎn)子同步角速度；δ1為定子屏蔽套厚度；L1為定子鐵心長(zhǎng)度；Di1為定子內(nèi)徑；ρ為屏蔽套的電阻率。

式(6)稱為經(jīng)驗(yàn)公式，需要的假設(shè)包括：忽略屏蔽套的漏抗；屏蔽套的厚度要比直徑小得多；磁通為正弦波，只考慮氣隙磁場(chǎng)的基波分量；忽略屏蔽套在定子以外的端部電阻。

轉(zhuǎn)子屏蔽套的渦流損耗雖然數(shù)值較小，但是也需要精確計(jì)算。

考慮到經(jīng)驗(yàn)公式有這些弊端，因此采用三維有限元法進(jìn)行磁場(chǎng)計(jì)算。在獲得永磁同步屏蔽電機(jī)磁場(chǎng)分布和渦流分布的前提下，定轉(zhuǎn)子屏蔽套的渦流損耗：

(7)

式中：Ji為單元渦流密度；Δili為單元體積；σB為屏蔽材料的電導(dǎo)率；Ne為剖分單元的總數(shù)。

利用三維瞬態(tài)有限元法，得到電機(jī)C的定子屏蔽套渦流損耗的分布,如圖8所示。3臺(tái)電機(jī)屏蔽套總渦流損耗波形如圖9所示。鐵耗和屏蔽套渦流損耗如表4所示。

圖8 定子屏蔽套的渦流損耗分布圖

圖9 3臺(tái)電機(jī)的屏蔽套總渦流損耗波形

4 永磁屏蔽電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和效率

利用三維有限元法，可得到3臺(tái)電機(jī)分別對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩波形如圖10所示。從圖10可以看出，隨著定子電阻的增加，定子電流減小，從而電磁轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)減小。

圖10 3臺(tái)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩波形

電磁轉(zhuǎn)矩與電磁功率關(guān)系式：

(8)

電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為3 000r/min。由式(8)，可得到3臺(tái)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率，如表5所示。

效率是電機(jī)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一[10]。由式(9)和式(10)，可以得出3臺(tái)不同功率電機(jī)的效率，并列于表6中。

(9)

(10)

式中：pB2為轉(zhuǎn)子屏蔽套的渦流損耗。

表5 3臺(tái)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率

表6 3臺(tái)電機(jī)的效率

5 樣機(jī)測(cè)試

在理論計(jì)算的基礎(chǔ)上，制作了樣機(jī)。圖11是制作的樣機(jī)C實(shí)物圖片。

圖11 永磁屏蔽電機(jī)樣機(jī)

該樣機(jī)在額定負(fù)載、額定頻率下運(yùn)行，利用示波器測(cè)量該樣機(jī)的相電壓和相電流，利用測(cè)功機(jī)測(cè)量樣機(jī)的輸出功率和功率因數(shù)，于是獲得電機(jī)效率等參數(shù)。并利用數(shù)字電橋法測(cè)量繞組電感參數(shù)。結(jié)果列于表7中?？梢钥闯?，計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果一致，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的有效性。

表7 樣機(jī)C的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值

6 結(jié) 語(yǔ)

永磁屏蔽電機(jī)廣泛用于管道屏蔽電泵中。本文采用三維有限元方法設(shè)計(jì)了通用型永磁同步屏蔽電機(jī)。該類永磁屏蔽電機(jī)無(wú)轉(zhuǎn)子鐵心，永磁極弧系數(shù)為1，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于制造?？紤]到生產(chǎn)成本，在沒有改變定子鐵心和轉(zhuǎn)子的前提下，并且保持額定電壓及額定轉(zhuǎn)速不變，僅通過(guò)改變定子繞組的匝數(shù)和線徑，設(shè)計(jì)了不同功率的永磁同步屏蔽電機(jī)。利用三維瞬態(tài)有限元法計(jì)算了3臺(tái)不同功率電機(jī)的各種損耗及效率等性能參數(shù)。最后，樣機(jī)實(shí)測(cè)結(jié)果與計(jì)算結(jié)果一致，驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的正確性。

[1] 黃亞.新型永磁屏蔽電機(jī)本體與控制系統(tǒng)研究[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué),2014.

[2] LI Weili,ZHANG Xiaochen,CHEN Wenbiao.Numerical analysis of thermal behavior of canned motor[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics,Vigo,2007：1189-1194.

[3] 趙博.實(shí)心轉(zhuǎn)子屏蔽電機(jī)電磁參數(shù)計(jì)算與性能分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué),2008.

[4] 楊通.籠型實(shí)心轉(zhuǎn)子屏蔽電機(jī)電磁場(chǎng)有限元分析與計(jì)算[D].武漢：華中科技大學(xué),2006.

[5] 張建濤.雙屏蔽復(fù)合轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)渦流損耗計(jì)算與性能分析[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué),2009.

[6] 周明榮.永磁屏蔽電泵電磁場(chǎng)有元分析及其屏蔽套渦流損耗計(jì)算[D].杭州：浙江工業(yè)大學(xué), 2004.

[7] AN Yuejun,LIU Guoming,WANG Peng.Magnetic force analysis and experiment of novel permanent magnet axial thrust balance structure in canned motor pump[C]//The 2nd International Conference on Advanced Computer Control, Shenyang, China,2010:396-398.

[8] 楊玉波.變極永磁同步電動(dòng)機(jī)研究[D].濟(jì)南：山東大學(xué), 2007.

[9] 湯蘊(yùn)繆.電機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008:222-226.

[10] 顧繩谷.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2008:167-192.

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

安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1508085ME89);安徽省工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心開放課題基金(KFKT201502)

TM341;TM351

A

1004-7018(2016)04-0001-04

倪有源(1976-), 男,博士,副教授,研究方向?yàn)殡姍C(jī)設(shè)計(jì)及其控制。