高速無軸承永磁薄片電機參數優(yōu)化及損耗分析

武谷雨，王曉琳，丁強

(南京航空航天大學 自動化學院，江蘇 南京210016)

摘要：研究了一種五相無槽的高速無軸承永磁薄片電機拓撲結構，并分析了其結構特點和運行原理。利用有限元方法分析比較了永磁體充磁方式、厚度、氣隙長度等參數對電機性能的影響，降低了氣隙磁密總諧波系數，減小了轉矩脈動，提高了電機懸浮性能?；趥鹘y(tǒng)電機的損耗研究，仿真分析了高速無軸承永磁薄片電機的損耗分布和輸出轉矩，得到了電機的輸出效率為81.67%。

關鍵詞：高速； 無槽； 有限元； 參數優(yōu)化； 損耗； 永磁薄片電機

通訊作者：武谷雨

中圖分類號：TM 355文獻標志碼： A

收稿日期：2015-01-28

Parameters Optimization and Loss Analysis of High

Speed Bearingless PM Slice Motor

WUGuyu,WANGXiaolin,DINGQiang

(School of Automation Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

Abstract：The slotless topology in the bearingless PM slice motor with five-phase was introduced, the structural advantages and operating principle were analyzed. Finite element modeling(FEM) was used to analyze and compare the influence of parameters including magnetizing method, thickness of the PM, air gap length on capability. The simulation results validated that the optimization had a better performance in reducing disturbance of air flux density and torque. Thus, the suspending performance was improved. By utilizing the loss model of conventional motor, the simulation was conducted to get an analysis of the influence of suspension on the loss distribution. And the output efficiency, which was 81.67%,was got according to the output torque.

Key words： high speed； slotless； finite element analysis； parameters optimization； loss； permanent magnet slice motor

0引言

無軸承永磁薄片電機具有結構簡單、可靠性高、無磨損、定轉子易隔離等優(yōu)點，作為一種高轉速、高密封、高潔凈的綠色環(huán)保驅動技術，國內外學者給予了廣泛的關注。無軸承永磁薄片電機主要應用于生物化學、醫(yī)療、半導體制造等超純凈領域[1-2]以及航天器控制等領域。

無軸承薄片電機可較好地應用于高速和超高速狀態(tài)。文獻[3-4]通過對徑向和軸向的主動懸浮控制，驗證了無軸承電機分別在40000～60000r/min的高轉速條件下運轉性能良好。文獻[5]采用無槽定子的結構，試驗驗證了使電機轉速達到了115000r/min的可能性。文獻[6]是在一套現有的轉速為20000r/min的大電機模型基礎上，通過比例縮小和優(yōu)化原則，達到理論轉速150000r/min，并提出了大規(guī)模生產的可能性。以上文獻研究重點集中于電機運行在最高轉速下的電機性能，對電機的參數設計與優(yōu)化卻很少涉及。本文重點對電機的主要參數進行優(yōu)化，并對優(yōu)化后的電機損耗進行了分析。

本文采用無槽結構，研究了額定轉速為100000r/min的五相無軸承永磁薄片電機拓撲結構，分析了其結構特點和運行原理。為了減小轉矩波動，提高電機懸浮性能，利用有限元方法對永磁體充磁方式、厚度、氣隙長度等主要參數進行研究，從而優(yōu)化了電機性能，完善了電機尺寸參數。仿真優(yōu)化后的電機，分析了懸浮對損耗分布的影響，并根據輸出轉矩，給出了電機的輸出效率。

1電機結構及運行原理

1.1定子結構

一般電機模型中，定子存在齒槽，但定子齒槽會一定程度的惡化電機性能： (1) 當定子鐵心和轉子永磁體相互作用時，定子齒槽的存在會導致鐵心磁阻變化而引起齒槽轉矩，從而增大了諧波轉矩；(2) 齒槽存在而產生的齒諧波磁勢會帶來一系列的電磁問題，進而使電機性能變壞、效率降低、電磁噪聲加大；(3) 齒槽的存在會產生高次諧波磁場，特別是當電機高速運行時，會導致較大的磁滯損耗和渦流損耗。無槽無軸承永磁薄片電機結構圖如圖1所示。為了盡量避免電機出現以上問題，電機采用了無槽的拓撲結構，消除了電機齒槽效應，具有轉矩波動小、運行平穩(wěn)、噪聲低、減小損耗、降低定子中的磁密飽和、增大電機的負載能力等優(yōu)點。

圖1　無槽無軸承永磁薄片電機結構圖

根據定子無槽結構，繞組線圈采用環(huán)形繞線方式，直接繞在定子軛部。定子中只有一套繞組，利用電流疊加原理，繞組中同時注入電流懸浮分量和轉矩分量?？紤]到電機轉速極高，小極對數磁極可有效提高電機額定轉速，選擇懸浮磁場極對數ps=2，轉矩磁場極對數pt=1，滿足pt=ps-2，可產生受控的懸浮力。分別控制兩種定子電流分量，達到獨立控制轉矩和懸浮力的目的。

1.2轉子結構

無軸承永磁電機采用表貼一對極轉子結構。表貼式轉子永磁磁極易于實現優(yōu)化設計，正弦度良好，諧波含量少，轉矩脈動小，能夠產生較平穩(wěn)的懸浮力，可顯著提高整個傳動系統(tǒng)的性能。無槽電機繞組所占位置是有效氣隙的組成部分，因此，該電機的氣隙比普通薄片電機大得多。為了產生足夠的氣隙磁密，要求永磁體必須有大的剩磁、矯頑力和磁能積。近年來迅速發(fā)展的釹鐵硼永磁材料，可滿足這種要求。

電機的轉子軛采用實心圓盤結構，避免轉子打孔帶來的不利。由于電機運行在高速狀態(tài)下，故在轉子表面綁上一層高強度不導磁的金屬材料或纖維材料，以增強轉子機械特性和轉子結構的穩(wěn)定性。

1.3主動懸浮原理

高速無軸承永磁薄片電機的徑向懸浮系統(tǒng)采用無軸承主動磁懸浮技術[7]。無軸承磁懸浮技術以電機本身的驅動磁場為基礎，通過對定子繞組施加可控的懸浮分量電流和轉矩分量電流，產生一個外加的懸浮控制磁場和轉矩控制磁場，與原有的磁場進行疊加，打破原有磁場的平衡分布，產生可控的麥克斯韋力，控制轉子的懸浮和轉動。圖2(a)、2(b)給出了無軸承電機徑向懸浮力和轉矩的產生原理。

圖2　徑向懸浮力和轉矩產生原理

1.4被動懸浮原理

普通無軸承電機通過加裝軸向磁軸承，來實現電機在軸向和扭向上的三個自由度的懸浮。無軸承永磁薄片電機依靠自身的磁阻力實現轉子在軸向和扭向上的被動懸浮[8-9]。

2本體結構參數優(yōu)化

表1為電機的設計原始參數，為了改善電機懸浮和轉矩性能，減小電機損耗，需對電機的永磁體、氣隙長度等主要性能參數進行優(yōu)化[10-14]。

表1　電機原始參數

2.1永磁體充磁方式

永磁體充磁方式的不同，導致了氣隙中磁密分布的不同。對表貼式永磁體平行充磁和徑向充磁兩種充磁方式進行比較分析，得到如圖3和圖4所示的永磁體磁力線分布和氣隙磁密曲線，以及圖5的氣隙磁密諧波分析。

由圖3～圖5可知： (1) 平行充磁時產生的磁勢幅值與徑向充磁相當；(2) 相較于徑向充磁，平行充磁時的氣隙磁密曲線正弦度更好，低次諧波含量較少，THD由15.34%減小到3.87%。

圖3　平行充磁

圖4　徑向充磁

圖5　兩種充磁方式下氣隙磁密傅里葉分解

在無軸承永磁薄片電機中，對永磁轉子的設計和優(yōu)化應盡量使電機的氣隙磁場呈正弦分布，這是由于當氣隙磁場按正弦分布時，產生的懸浮力平穩(wěn)，脈動較小，易于描述，控制算法簡單，且其轉矩脈動較小，高次諧波減少，損耗降低[10～14]。當以產生最大幅值、正弦化的氣隙磁密為準則時,永磁體選擇平行充磁。

2.2永磁體厚度

改變永磁體厚度，會改變電機的工作點，對電機的懸浮和轉矩性能都會產生影響。改變永磁體厚度，得到如圖6所示的懸浮力和轉矩關于永磁體厚度的變化圖。

圖6　不同永磁體厚度下的徑向懸浮力和轉矩

隨著永磁體厚度的增大，徑向懸浮力Fx先迅速增大后緩慢減小，在永磁體厚度為1.8mm處達到最大值，此時Fx為0.68N，永磁體產生的懸浮偏置磁場和繞組控制磁場相等。轉矩則隨著永磁體厚度的增大而增大，并逐漸趨于平緩，這是由于磁密漸趨飽和，永磁體的利用率隨之下降。

為了獲得較大的徑向懸浮力，提高電機的懸浮性能，永磁體厚度選擇為1.8mm。

2.3氣隙長度

氣隙的大小對懸浮力和電機轉矩的影響很大： 隨著氣隙的增大，氣隙磁密減小，懸浮力將顯著減?。粴庀哆^小會增加電機的裝配難度，增大氣隙磁長的諧波含量，導致轉矩脈動和附加損耗的增大。所以，氣隙長度的選擇應兼顧電機的負載能力與電機的懸浮性能。

圖7　不同氣隙長度下的轉矩脈動和徑向懸浮力

由圖7給出的不同氣隙長度下的轉矩脈動和徑向懸浮力情況可以看出： 氣隙長度為1.25mm時，轉矩脈動達到最小，但徑向懸浮力僅為0.67N，不滿足電機起動經驗要求(電機起動時產生的懸浮力至少為電機轉子重量的10倍)；當氣隙長度為1mm時，徑向懸浮力為0.79N，滿足電機起動經驗要求，轉矩脈動僅為0.23%，在可接受范圍內。

綜合轉矩脈動和徑向懸浮力的分析和仿真結果，電機氣隙長度選擇為1mm。

2.4尺寸參數

通過對永磁體充磁方式的選擇，永磁體厚度和氣隙長度的優(yōu)化，給出了表2所示的電機優(yōu)化前后的參數及性能比較?？梢园l(fā)現，優(yōu)化后的電機永磁體厚度增大，氣隙長度減小，且氣隙磁密總諧波系數和轉矩脈動均得到抑制，懸浮性能得到了提高。

表2　電機優(yōu)化前后參數和性能比較

對于優(yōu)化后的電機，為了分析其在損耗方面的情況，需要進一步研究懸浮對電機損耗的影響。

3懸浮對損耗的影響

五相無槽超高速無軸承永磁薄片電機的損耗主要由鐵心損耗、銅線損耗、機械損耗和雜散損耗組成[15-18]。雜散損耗和機械損耗所占比例較小，可忽略。但在永磁型無軸承電機中，繞組中的懸浮分量產生的懸浮磁場與轉子異步運行，所以永磁型無軸承電機在計算損耗時，還要考慮永磁體的渦流損耗。

3.1損耗仿真

利用Ansoft仿真，分析優(yōu)化后的電機結構懸浮對損耗的影響，主要涉及兩方面： (1) 電機內磁場交變頻率對鐵損和永磁體渦損的影響；(2) 懸浮電流對銅損的影響。表3給出了額定轉速下電機鐵損、銅損和永磁體渦損值及所占損耗比值。

表3　損耗分布

圖8給出了不同轉速下的鐵損和永磁體渦流損耗及不同懸浮電流幅值下的銅損。

圖8　損耗變化圖

由表3和圖8可知： (1) 鐵損是主要損耗來源，大大降低了電機效率。當電機以額定轉速運行時，電機中的磁場交變頻率很大，而鐵損主要由磁滯損耗和渦流損耗構成，與電機的磁場交變頻率和磁通密度幅值有關，因而導致了極大的損耗。(2) 銅損相對鐵損極小，但銅損主要與繞組中的電流值相關，當增大電流幅值時，銅損呈二次方增大。(3) 永磁體渦流損耗也隨著電機轉速的增大而變大，相對鐵損和銅損，數值上極小。

3.2輸出效率

電機輸出效率是研究電機性能指標不可忽略的一項參數。功率是電機負載能力的標志，對研究電機的輸出效率有著重要的影響。在Ansoft仿真中，無法直接得到電機的輸出功率，通過間接研究電機的輸出轉矩，進而根據式(1)得出電機的輸出功率P可表示為

P=TΩ

(1)

式中：T——電機的輸出轉矩；

Ω——電機的機械角速度。

圖9給出了額定電流時電機輸出轉矩圖，可以看出，電機穩(wěn)定運行后，電機的輸出轉矩也處于穩(wěn)定狀態(tài)，且輸出轉矩平均值為33.953mN·m，則此時的電機輸出功率為355.56W。

圖9　輸出轉矩

綜合上文的電機鐵心損耗、銅損和永磁體渦流損耗，電機的輸出效率為81.67%。

4結語

(1) 采用無槽定子的五相無槽高速無軸承永磁薄片電機，不僅具有傳統(tǒng)薄片電機無磨損、無潤滑、結構簡單、可靠性高等特點，同時可避免齒槽效應，減小電機高速運轉下的磁滯和渦流損耗。

(2) 理論闡述了電機結構參數對電機性能的影響，采用有限元法優(yōu)化了永磁體充磁方式、永磁體厚度、氣隙長度等主要參數，降低了氣隙磁密的總諧波系數，減小了電機轉矩的脈動，提高了電機的懸浮性能。

(3) 通過對優(yōu)化后電機結構的損耗和輸出效率分析，電機額定轉速運行時，電機內的磁場交變頻率極大，產生了很大的鐵損，使得電機額定運行時的效率僅為81.67%。

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