《微特电机》黄聪工作:非晶合金永磁同步电机设计及损耗温度场分析

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校对 晓  丹

图片来源:非晶中国大数据库

永磁同步电机调速方便,效率高,体积小,适用于高速运转,因此永磁同步电机在高速领域应用比较广泛。然而,高速永磁电机在运行过程中和常规电机相比主要有以下特点: 高速电机的定子铁损将远大于常规电机的定子铁损,造成电机总损耗增加,效率降低; 过高的损耗也使电机发热严重,影响永磁体的性能。由于这些不同于常规电机的特点,使得高速永磁电机在设计时需要选取性能更好的铁心材料来减小损耗,以及能准确地分析电机的温度场分布,保证高速永磁电机运行的可靠性。

武汉理工大学自动化学院黄聪采用双向磁-热耦合计算分析的方式,求解了电机的损耗和温升,并与0.2mm高硅钢20JNEH1200电机进行仿真对比。得出非晶合金定子铁心电机的损耗和发热都有明显降低的结论。相关研究成果在《微特电机》2020年第48卷第11期中发表。研究人员设计的一台4极、6槽的永磁同步电机(图1),得到定子的槽距由电机的气隙周长除以定子槽数,经过槽距的视在齿磁通,忽略槽口影响,考虑铁心的空间系数,对于管径均匀的齿,获得其横截面积, 得到视在磁通密度, 实际计算中,齿部铁心的磁通除以齿部铁心的面积,可以得到齿部铁心实际的磁通密度,研究非晶合金的B,H曲线(图2),根据B,H曲线并结合式得到两条曲线的交点,其交点的横坐标为齿部的磁场强度。采用的是双向耦合的方式求解电机的损耗和温升(图3),使用仿真软件对高速永磁同步电机进行建模,得到电机有限元模型(图4),得到该电机的磁通密度云图(图5), 因为非晶材料电机有更小的磁滞损耗。此外,非晶合金更薄的厚度以及更大的电阻率也能减少电机的涡流损耗(图6)根据两种电机铁损和涡流损耗曲线(图7),可见定子采用非晶合金以后铁损减少了约 78%,两种电机的涡流损耗曲线(图8),采用ANSYS workbench 的 Transient Ther-mal 模块进行温度场的分析,进行求解得到更准确的结果(图9),通过 ANSYS 软件对两种不同定子铁心材料的电机进行温度场分析,得到稳定后电机的定子温度分布情况(图10),因为非晶合金电机的铁损和涡流损耗都远小于0.2 mm 高硅钢电机,因此非晶合金电机的定子整体温度也相对较低。非晶合金定子的最高温度为86 ℃,平均温度为77 ℃; 0.2mm高硅钢定子的最高温度为136 ℃,平均温度为129 ℃。采用非晶合金作为定子铁心的永磁同步电机,定子部分温度有明显的下降。得到结论:非晶合金永磁同步电机在高速运行时,能大幅降低铁心损耗和涡流损耗,从而提高电机效率。通过对电机的磁-热耦合分析,得出非晶合金电机发热远小于0.2 mm 高硅钢电机,能使高速电机运行在合理的温度范围内,保持高速电机的可靠性。

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