高義冬，馬哲樹

（江蘇科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

用于空壓機的高速電機的設(shè)計和分析

高義冬，馬哲樹

（江蘇科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

本文對一款130 kW，轉(zhuǎn)速為31 500 rpm用于空氣壓縮機的高速永磁電機進(jìn)行了設(shè)計和分析。針對高速電機的設(shè)計指標(biāo)，選擇電機材料并采用磁路法計算出電機的各尺寸參數(shù)。利用有限元軟件對所設(shè)計電機進(jìn)行電磁場分析，同時分析電機的定轉(zhuǎn)子損耗。然后通過分析電機護套材料和永磁體充磁方式，來達(dá)到減小電機內(nèi)部損耗，降低溫度，提高電機性能的目的。

高速電機；有限元；電磁場分析；損耗分析

空氣壓縮機作為“十二五”規(guī)劃期間重點關(guān)注的一類設(shè)備，其主要發(fā)展方向就是節(jié)能，一級能效工業(yè)用空氣壓縮機和二級能效工業(yè)用空氣壓縮機成為重點照顧的機型。通常作為空氣壓縮機的電機有感應(yīng)電機，無刷直流電機，高速永磁電機等。由于高速永磁電機比高速感應(yīng)電機具有更高利用率，更好的功率因數(shù)和更高的效率，被認(rèn)為非常值得研究。而且設(shè)計一個高速永磁無刷電機的轉(zhuǎn)子比高速感應(yīng)機更復(fù)雜。而高速電機由于具有轉(zhuǎn)速高、電機尺寸小、功率密度大、效率高等顯著優(yōu)點，在高速壓縮機、儲能飛輪、紡織、高速磨床、燃?xì)鉁u輪機等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。文獻(xiàn)[1]闡述了一臺功率為8 MW，轉(zhuǎn)速為15 000 rpm，用于壓縮機的高速永磁電機在石化行業(yè)的應(yīng)用。該電機定子采用低損耗硅鋼片，轉(zhuǎn)子軸承采用主動磁力軸承和滾動軸承，并采用轉(zhuǎn)子動力學(xué)原理分別對兩種不同類型的軸承進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[2]對一臺用于離心式壓縮機的高速高效感應(yīng)電機進(jìn)行了電磁和機械設(shè)計，并對3種不同類型的電機（開關(guān)磁阻電機，永磁同步電機，感應(yīng)電機）的電磁特性，損耗，機械特性進(jìn)行了比較。文獻(xiàn)[3]介紹了一個高速，高功率密度直流無刷電機，功率為50 kW，70萬rpm級離心壓縮機的設(shè)計和分析。用理論分析方法對高速電機的結(jié)構(gòu)設(shè)計準(zhǔn)則和功率損耗進(jìn)行分析，并用有限元法對結(jié)果結(jié)果進(jìn)行了驗證。

針對應(yīng)用在空氣壓縮機上的高速永磁電機有最大功率的限制，在轉(zhuǎn)速為30 000 rpm時，電機的最大功率為130 kW，所以本文對一款130 kW，轉(zhuǎn)速為31 500 rpm用于空氣壓縮機的高速永磁電機進(jìn)行了設(shè)計和分析，針對高速電機的設(shè)計指標(biāo)，選擇電機材料并計算出電機的各種參數(shù)。利用有限元軟件對所設(shè)計電機進(jìn)行電磁場分析，同時分析電機的定轉(zhuǎn)子損耗，然后通過分析電機護套材料和永磁體充磁方式，來達(dá)到減小電機內(nèi)部損耗，降低溫度，提高電機性能的目的。

1 高速永磁電機的設(shè)計

1.1 轉(zhuǎn)子設(shè)計

轉(zhuǎn)子采用的是永磁體面裝式結(jié)構(gòu)也叫表貼式，這種結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)具有良好的對稱性，但由于高速電機轉(zhuǎn)速較高且永磁材料能承受的拉應(yīng)力較小，所以為了防止永磁體因受到巨大的離心力而遭到破壞，需要在永磁體外表面加一層保護套。永磁材料的種類很多，并且材料之間的性能差別較大，因此選擇合適的永磁體材料在永磁電機設(shè)計時至關(guān)重要。常見的用于電機的永磁材料包括鐵氧體永磁材料、鋁鎳鈷永磁材料、稀土鈷和釹鐵硼永磁材料。高速電機由于磁場頻率高，要求永磁材料具有高的剩磁和矯頑力，從性能和成本的角度考慮釹鐵硼永磁材料是較好的選擇。它不含鈷這種戰(zhàn)略物資，要比稀土鈷的價格便宜得多。

1.2 極數(shù)選擇

高速電機的極數(shù)較少，一般采用2極或4極。2極電機的優(yōu)點是:便于永磁體采用整體結(jié)構(gòu)和整體充磁，可保證永磁轉(zhuǎn)子機械和電磁性能的對稱性。2極電機的另一優(yōu)點是定子鐵心磁場和繞組電流的頻率僅為4極電機的一半，有利于減少電機定子的鐵耗和銅耗[4]。所以本文電機極數(shù)采用2極。

1.3 定子設(shè)計

定子鐵心結(jié)構(gòu)分為兩種，有槽結(jié)構(gòu)和無槽結(jié)構(gòu)。有槽結(jié)構(gòu)能減少兩極之間的漏磁，而且可以增加繞組和定子鐵心表面的接觸面積，提供一個較低的熱阻路徑，這對繞組和轉(zhuǎn)子的散熱很重要。本文采用梨型槽結(jié)構(gòu)，分布式繞組，雙層結(jié)構(gòu)，節(jié)距為15，定子材料采用DW315_50硅鋼片[5]。

1.4 高速電機方案的確定

以130 kW高速永磁同步電機為研究對象，通過采用磁路法計算額定數(shù)據(jù)和主要性能指標(biāo)（如表1所示），所得電機各尺寸參數(shù)如表2所示。

表1 額定數(shù)據(jù)和主要性能指標(biāo)Tab.1 Nominal data and the main performance indicators

表2 尺寸參數(shù)Tab.2 Size parameters

2 高速永磁同步電機電磁場的分析

用于空氣壓縮機的高速永磁同步電機三維模型如圖1所示。由電機的永磁體產(chǎn)生的磁力線分布圖如圖2所示，由永磁體產(chǎn)生的磁力線矢量圖如圖3所示。

圖1 高速電機三維模型Fig.1 The 3D model of the high-speed machines

圖2 電機磁力線分布Fig.2 The lines of magnetic force distribution

由圖2所示可知，永磁同步電機磁力線是由永磁體產(chǎn)生的，磁力線的流向路徑為定子齒、定子軛、定子齒、氣隙、定子軛，定子齒，且定子軛中的磁密明顯大于線圈中的磁密。由上圖結(jié)果可知，永磁電機的磁通的分布和走向合理，漏磁通比較少，漏磁系數(shù)也較小，永磁體利用率高，符合電機設(shè)計要求。

圖3 電機磁力線矢量分布Fig.3 The lines of magnetic force vector distribution

圖3中的箭頭為磁力線的流動的方向，由上圖可知電機中的磁力線是由永磁體產(chǎn)生，流經(jīng)定子齒、定子軛和氣隙，并最終回到定子齒，構(gòu)成了一個封閉的回路，和實際理論相符。

3 高速永磁電機損耗分析

3.1 定子損耗

定子的損耗主要有鐵耗和定子繞組中的銅耗兩種。一般在電機中，銅耗占的比重較大，但是由于高速電機鐵芯的磁場變化頻率較高，所以鐵耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于銅耗。因此精確計算高速永磁電機的鐵耗是本電機設(shè)計的一項重要內(nèi)容。

在鐵耗計算中，按照鐵耗產(chǎn)生的機理不同，將鐵耗分為磁滯損耗，渦流損耗和附加損耗，建立分離鐵耗模型，進(jìn)行電機鐵耗計算。有限元軟件ANSOFT計算電機瞬態(tài)場的鐵耗，其原理就是根據(jù)分離鐵耗模型，其中磁滯損耗計算指數(shù)α，β一律被認(rèn)為等于2。軟件內(nèi)部鐵耗計算依據(jù)公式如下：

式中kh是磁滯損耗系數(shù)，ke是渦流損耗系數(shù)，kexc是附加損耗系數(shù)，h是磁滯損耗計算系數(shù)[6]。

電機的鐵耗與電機的頻率有著密切的關(guān)系，當(dāng)電機的頻率增加時，電機的鐵耗與電機的平方成正比，圖4描述的是在電機啟動過程中電機鐵耗隨轉(zhuǎn)速變化的曲線。

圖4 鐵耗隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.4 The curve of iron loss varies with the speed

從圖中可以看出，從低速到31 500 r/min的高速，鐵耗增長的很快。那是因為當(dāng)轉(zhuǎn)速從0開始時，電機轉(zhuǎn)子永磁體的轉(zhuǎn)速也要從0開始，這就使得轉(zhuǎn)子永磁體在定子上形成的磁場的交變頻率也是從低到高變化的，所以會形成圖中所示曲線。

表面式高速永磁電機的定子鐵芯損耗不僅與交變頻率和幅值有關(guān)，而且與磁場波形密切相關(guān)。本文利用有限元的方法，分析電機氣隙磁場波形和旋轉(zhuǎn)速度（磁場交變頻率）對定子鐵耗的影響。在于永磁電機中，主要的充磁方式有平行充磁，徑向充磁，halbach充磁等，而平行充磁和徑向充磁在永磁體充磁中是最常用。但這兩種充磁方式得到的空載氣隙磁場波形是不同的，利用有限元軟件建立兩極高速永磁電機模型，可以分別得到兩種充磁方式的氣隙磁場分布波形如圖5和圖6。由圖5和圖6看以看出，電機平行充磁時磁密波形接近正弦波，而徑向充磁時磁密波形呈梯形分布。

圖5 平行充磁氣隙磁密波形Fig.5 The air gap flux density waveform of parallel magnetization

圖6 徑向充磁氣隙磁密波形Fig.6 The air gap flux density waveform of radial magnetization

分別對平行充磁和徑向充磁的磁場波形做傅立葉分解，得到平行充磁和徑向充磁時的基波分量和諧波分量，如圖7~10所示。

圖7 平行充磁氣隙磁密基波波形Fig.7 The air gap flux density wave of parallel magnetization

圖8 平行充磁氣隙磁密諧波分量Fig.8 The air gap flux density harmonic component of parallel magnetization

圖9 徑向充磁氣隙磁密基波波形Fig.9 The air gap flux density wave of radial magnetization

兩種充磁方式得到的氣隙磁密基波相差不大。平行充磁時3次諧波分量較小，相對于基波比例也小，徑向充磁的3次，5次諧波較為明顯，相對于基波占的比例也大，空載氣隙磁密也相對復(fù)雜。

對比兩種充磁方式，因為徑向充磁時諧波分量較大，所以每極磁通和定子鐵芯磁密均大于平行充磁，因此徑向充磁時定子空載鐵耗較大。通過對比可知電機采用平行充磁較為有利。

圖10 徑向充磁氣隙磁密諧波分量Fig.10 The air gap flux density harmonic component of radial magnetization

在空載有限元分析時選取不同的轉(zhuǎn)速，就可以分析高速永磁電機轉(zhuǎn)速和電機定子鐵耗之間的關(guān)系。圖11反應(yīng)的是在平行充磁方式下，不同轉(zhuǎn)速對定子鐵芯損耗的影響。

圖11 定子鐵耗隨轉(zhuǎn)速變化曲線Fig.11 The stator iron loss vary with speed

由圖11可知，普通低速永磁電機的鐵耗一般很小，對電機性能影響不大。但是隨著轉(zhuǎn)速的提高，定子鐵芯損耗增長的很快，鐵耗也就成為定子損耗中主要考慮的問題。

3.2 轉(zhuǎn)子損耗

高速永磁同步電機轉(zhuǎn)子由4個部分組成，分別為電機軸、轉(zhuǎn)子鐵芯、永磁體和不導(dǎo)磁套筒，而轉(zhuǎn)子中的損耗主要有機械損耗和渦流損耗兩種。其中機械損耗是指空氣摩擦損耗。一般電機轉(zhuǎn)子的渦流損耗相對于定子損耗來說是非常小的，但產(chǎn)生渦流損耗時，會使永磁體溫度升高產(chǎn)生退磁，特別嚴(yán)重時會產(chǎn)生不可逆退磁。所以本節(jié)深入探討了降低轉(zhuǎn)子渦流損耗的方法。

保護環(huán)材料分別采用電導(dǎo)率為1 100 000（s/m）的不銹鋼材料和電導(dǎo)率為34 500（s/m）的碳纖維。這兩種材料都是不導(dǎo)磁的高強度材料，永磁體采用N38SH。其電導(dǎo)率為2 000 000（s/m）。采用瞬態(tài)有限元分析不同電導(dǎo)率材料對轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。圖12為電機永磁體渦流損耗。表3對兩種不同護套結(jié)構(gòu)的渦流損耗進(jìn)行了對比分析。

圖12 電機永磁體渦流損耗Fig.12 The eddy current loss of permanent magnet

表3 不同護套的渦流損耗對比Tab.3 Comparison of different sheath eddy current loss

4 結(jié) 論

文中對130 kW，轉(zhuǎn)速為31 500 rpm用于空氣壓縮機的高速永磁同步電機的尺寸參數(shù)進(jìn)行了計算，分析了5種不同槽數(shù)的電機方案。利用有限元軟件對所設(shè)計電機進(jìn)行電磁場分析。同時對這種電機方案進(jìn)行定轉(zhuǎn)子損耗分析，結(jié)果表明采用平行充磁方式和碳纖維作為護套材料可以減小電機內(nèi)部損耗，降低溫度，提高電機性能。

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[4]王鳳翔.高速電機的設(shè)計特點及相關(guān)技術(shù)研究[J].沈陽工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，28（3）:259-260.

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Design and analysis of a high-speed machine for air compressor

GAO Yi-dong，MA Zhe-shu
（School of Electrical and Information， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China）

This paper describes the design and analysis of a high-speed permanent magnet machines for a 130 kW，31 500 rpm class air compressor.According to the design criterion of high-speed motor，chose the material of motor and calculate the size parameters of the machine with magnetic circuit method.Using finite element software，the electromagnetic field of this prototype are analyzed and stator and rotor loss are calculated at the same time.And then，by analyzing the sheath material and magnetization manners of the permanent magnet，to reduce the motor internal loss，reduce the temperature and improve the motor performance.

high-speed machine； finite element； electromagnetic field analysis； loss analysis

[TN98]

A

1674-6236（2014）15-0122-04

2013-09-26 稿件編號：201309202

高義冬（1988—），男，江蘇揚州人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。