岳衛(wèi)東 周順超

（法蘭泰克重工股份有限公司，江蘇 蘇州215200）

0 引言

隨著新型永磁材料的大力發(fā)展，永磁電機(jī)性能不斷得到提高，其應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。永磁材料多種多樣，性能差別很大，因此在規(guī)定的環(huán)境條件、工作溫度和使用條件下應(yīng)能保證磁性能的穩(wěn)定性，防止局部溫度過(guò)高導(dǎo)致失磁。

民用工業(yè)領(lǐng)域廣泛采用釹鐵硼永磁材料，其熱穩(wěn)定性差，矯頑力具有負(fù)溫度系數(shù)等特點(diǎn)。在定子設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，永磁電機(jī)鐵芯表面溫度會(huì)出現(xiàn)過(guò)高現(xiàn)象，使鐵芯表面出現(xiàn)發(fā)藍(lán)、發(fā)黑的區(qū)域，鐵芯高溫傳導(dǎo)至永磁體，會(huì)使永磁體溫度達(dá)到退磁溫度，造成失磁。

因此，及早發(fā)現(xiàn)永磁電機(jī)失磁隱患，采取保護(hù)措施，降低永磁電機(jī)維修成本，減小經(jīng)濟(jì)損失，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全可靠性，是永磁電機(jī)領(lǐng)域重要的研究課題。本文從電機(jī)線(xiàn)規(guī)選取和槽型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)角度出發(fā)，運(yùn)用電磁場(chǎng)有限元分析建立內(nèi)置式永磁電機(jī)模型，對(duì)大線(xiàn)規(guī)導(dǎo)線(xiàn)、電機(jī)氣隙磁密以及諧波磁密進(jìn)行仿真，以研究渦流、環(huán)流損耗和氣隙中諧波磁場(chǎng)對(duì)轉(zhuǎn)子表面損耗的影響，并最終解決由此導(dǎo)致的永磁電機(jī)失磁問(wèn)題。

1 永磁電機(jī)模型

為研究開(kāi)口槽對(duì)永磁體失磁的影響，本文建立24極27槽集中式繞組內(nèi)置式永磁同步電機(jī)模型，具體參數(shù)如下：定子槽數(shù)27；定子外徑1400mm，內(nèi)徑1100mm；定子每槽導(dǎo)體數(shù)30；繞組線(xiàn)規(guī)30mm×4mm。轉(zhuǎn)子沖片尺寸和線(xiàn)圈導(dǎo)體排列如圖1所示。

2 采用較大線(xiàn)規(guī)繞組對(duì)永磁體失磁的影響

圖1 轉(zhuǎn)子沖片尺寸和線(xiàn)圈導(dǎo)體排列

定子槽開(kāi)口尺寸為67mm，定子極距為128mm，定子單個(gè)槽的槽開(kāi)口尺寸占極距的52.3%，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁極與定子槽口對(duì)齊時(shí)，部分轉(zhuǎn)子主磁通通過(guò)定子槽中路徑進(jìn)入定子齒部和軛部，因此定子槽中存在一定的交變磁場(chǎng)，如圖2所示。定子槽中繞組線(xiàn)規(guī)較大（30mm×4mm），部分定子導(dǎo)線(xiàn)處在交變磁場(chǎng)中，會(huì)產(chǎn)生大量的渦流損耗和環(huán)流損耗，導(dǎo)致電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)銅耗大，定子繞組溫升超標(biāo)，造成永磁體失磁。

圖2 電機(jī)空載磁通分布圖

所以，定子繞組需要采用較小線(xiàn)規(guī)或者換位編織線(xiàn)繞制，這樣可以降低渦流損耗和環(huán)流損耗，大大降低電機(jī)溫升，從而避免電機(jī)溫度過(guò)高，導(dǎo)致永磁體失磁。現(xiàn)將線(xiàn)規(guī)改為560根0.4mm漆包圓銅線(xiàn)。

3 定子沖片采用開(kāi)口槽對(duì)永磁體失磁的影響

當(dāng)電機(jī)采用開(kāi)口槽結(jié)構(gòu)時(shí)，轉(zhuǎn)子鐵芯表面損耗將很大，導(dǎo)致其表面溫度過(guò)高，從而出現(xiàn)發(fā)藍(lán)、發(fā)黑的區(qū)域。鐵芯高溫傳導(dǎo)至永磁體，使永磁體溫度達(dá)到退磁溫度，即造成失磁。

轉(zhuǎn)子鐵芯表面損耗主要有2種：（1）空載轉(zhuǎn)子主磁通在氣隙中的諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子表面損耗；（2）定子繞組磁勢(shì)諧波在轉(zhuǎn)子磁極表面引起的損耗。

3.1 空載轉(zhuǎn)子表面損耗

電機(jī)空載時(shí)，氣隙中的諧波磁場(chǎng)可由2種原因造成：（1）電機(jī)定子鐵芯開(kāi)槽導(dǎo)致氣隙磁導(dǎo)不均勻；（2）空載勵(lì)磁磁勢(shì)空間分布曲線(xiàn)中有諧波存在。

電機(jī)定子開(kāi)槽產(chǎn)生的齒諧波磁場(chǎng)，主要與b0／δ（b0為定子槽口寬，δ為主氣隙值）的比值有關(guān)，比值越大，齒諧波磁通密度越大。據(jù)查資料，實(shí)心轉(zhuǎn)子的同步機(jī)一般b0／δ≤2，對(duì)于疊片轉(zhuǎn)子，該值可適當(dāng)放寬。本電機(jī)的b0／δ為13.4。

齒諧波的諧波次數(shù)為：2 mq±1。本電機(jī)q＝0.375，則齒諧波的次數(shù)為1.25和3.25。

利用Maxwell2D對(duì)電機(jī)開(kāi)口槽的空載磁場(chǎng)進(jìn)行了有限元仿真，對(duì)氣隙磁密波形進(jìn)行了傅里葉分解，得出電機(jī)氣隙磁密基波值為0.7546T，1.25次齒諧波磁密值為0.2688T，3.25次齒諧波磁密值為0.316T，齒諧波磁密值相對(duì)較大，如圖3所示。而齒諧波在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生的損耗與其值的平方成正比。

圖3 電機(jī)空載氣隙磁密波形

電機(jī)主勵(lì)磁磁場(chǎng)由永磁體產(chǎn)生，且電機(jī)氣隙為均勻氣隙，空載主勵(lì)磁磁場(chǎng)本身存在一定的諧波，仿真得出氣隙磁密3次諧波值為0.1283T，5次諧波值為0.0158T，7次諧波值為0.0586T，如圖4所示。

圖4 空載各次諧波氣隙磁密值

3.2 負(fù)載轉(zhuǎn)子表面損耗

電機(jī)負(fù)載時(shí)，定子繞組磁勢(shì)諧波主要為相帶諧波。本電機(jī)定子繞組為集中繞組，繞組線(xiàn)圈跨距僅為一個(gè)定子齒距，且電機(jī)氣隙為均勻氣隙，定子繞組磁勢(shì)產(chǎn)生的磁密波形接近方波，磁場(chǎng)諧波含量非常豐富。

對(duì)額定電流下定子繞組磁勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁密波形進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明氣隙磁場(chǎng)諧波含量大，如圖5、圖6所示。這些諧波磁場(chǎng)將在轉(zhuǎn)子表面產(chǎn)生較大的損耗。

圖5 定子繞組磁場(chǎng)氣隙磁密波形

4 結(jié)語(yǔ)

本文從電磁場(chǎng)有限元分析入手，研究開(kāi)口槽和大線(xiàn)規(guī)線(xiàn)圈對(duì)永磁電機(jī)局部失磁的影響。有限元仿真表明，采用小線(xiàn)規(guī)和半閉口槽對(duì)降低電機(jī)各部位溫升和阻止局部失磁有明顯作用，從而為永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)提供了理論參考。

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