李 明 ，李 萍 ，錢 偉

（1中國航天科工集團(tuán)上海浦東開發(fā)中心 上海 200085）

（2上海新力動力設(shè)備研究所 上海 200125）

（3江蘇航天動力機(jī)電有限公司 江蘇 靖江 214523）

1 引言

電力的產(chǎn)生需要消耗大量的煤石油天然氣，一方面造成不可再生能源的枯竭，另一方面導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的日益惡化。根據(jù)中國能源經(jīng)濟(jì)研究院有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，在過去的2006年-2014年，由約27130億千瓦時增長到55233億千瓦時，平均增長1.04倍。由于目前，中國還是主要是以火力發(fā)電為主，二氧化碳的排放量由54億噸增長到77億噸，增長了近1.43倍。帶來了霧霾、干旱等環(huán)境問題，嚴(yán)重制約了國家發(fā)展。新能源汽車應(yīng)運(yùn)而生，對國家的工業(yè)領(lǐng)域以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)帶來不可替代的優(yōu)越性，鞏固了國家的發(fā)展和國防建設(shè)，如航空航天、國防領(lǐng)域采用質(zhì)量較輕的永磁同步電機(jī)作為飛行器的發(fā)電機(jī)；汽車工業(yè)中新型永磁同步電機(jī)作為汽車的核心驅(qū)動裝置[1-2]。

由于電機(jī)的定轉(zhuǎn)子硅鋼片鐵耗、磁鋼的渦流損耗以及導(dǎo)線產(chǎn)生的銅耗都表現(xiàn)成熱能，從而使電機(jī)的溫度產(chǎn)生變化，而硅鋼片和磁鋼的磁性能都會受到溫度的影響而變化，所以需要電機(jī)的熱能管理來分析電機(jī)的產(chǎn)熱、傳熱與散熱問題從而分析電機(jī)的持續(xù)運(yùn)行能力。常規(guī)的結(jié)構(gòu)計(jì)算方程只是在電機(jī)性能理想狀況下，設(shè)計(jì)電機(jī)的理想性能和結(jié)構(gòu)，沒有考慮到一些磁飽和和非線性因素影響下電機(jī)的特性[3-4]。而實(shí)際上，電機(jī)設(shè)計(jì)是一個非常復(fù)雜的多物理場問題，如磁場、熱量、力學(xué)等多個影響因素，這些都需要進(jìn)行精確和驗(yàn)校。

本文中主要是針對電機(jī)性能和工作環(huán)境要求，構(gòu)建了較為準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)計(jì)算模型函數(shù)，并以實(shí)際電機(jī)性能和采用的生產(chǎn)設(shè)計(jì)材料為約束條件，提出一種新型設(shè)計(jì)方法，縮短了電機(jī)的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期，能夠有效地節(jié)省生產(chǎn)原材料和提高經(jīng)濟(jì)利潤。以一臺額定功率為40kW永磁同步電機(jī)為例，利用本文提出的方法對該電機(jī)定轉(zhuǎn)子計(jì)算和設(shè)計(jì)，通過仿真設(shè)計(jì)，有效地驗(yàn)證方法的可行性和有效性。

2 電機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 建立鐵耗模型

首先，當(dāng)磁通密度高于10000高斯時，單位磁滯損耗與磁通密度的平方和頻率的一次方成正比[5]：

式中，σr是損耗常數(shù)，與電機(jī)采用的硅鋼片牌號有著直接關(guān)系。

硅鋼片中渦流損耗的公式可用下列方法取得。以厚度為Δ的1cm2面積的鋼片為例，假定感應(yīng)的方向是沿鋼片的面并時時按正弦波形變化。將電磁感應(yīng)法則及歐姆定律應(yīng)用于寬為dx之回路，可得：

上式中，Ex為感應(yīng)電壓，φx為磁通變化量。

除以零件的體積（Δ*1*1cm3），可求得單位體積的損耗，而除以密度，則可求得單位重量的損耗（W/Kg）：

式中，

ρ為材料的電阻率，r為密度。

所以鐵損的計(jì)算公式為：

采用以上公式，對損耗進(jìn)行計(jì)算，電機(jī)鐵芯材料為DW310-35，選取的頻率為300Hz、400Hz、500Hz、800Hz、1000Hz，該材料鐵損BP曲線如圖1所示。

圖1

2.2 熱效應(yīng)分析

電機(jī)的散熱面顧名思義對電機(jī)性能有著直接關(guān)系，并依據(jù)電機(jī)熱量面密度數(shù)值進(jìn)行電機(jī)散熱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，從而保障電機(jī)的運(yùn)行性能[6]。這里，我們采用以下公式進(jìn)行構(gòu)建相關(guān)的熱量面密度函數(shù)，如下所示：

式中，pcu是定子繞組銅耗，pfe是定子鐵芯損耗，SHeat-diss為電機(jī)散熱面表面積，表示為

其中，Do為電機(jī)鐵芯的外徑，Le表示電機(jī)有效鐵芯長度，Lend-w為定子繞組端部和電機(jī)引出線所占據(jù)的軸向長度，θ表示經(jīng)驗(yàn)長度調(diào)整值。

需要進(jìn)行說明是，電機(jī)的工作電源是由變頻電路提供的，導(dǎo)致整個電機(jī)中電路、磁路和熱能相互影響，增加了電機(jī)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。因此，為了降低這樣的設(shè)計(jì)困難，我們采用場路耦合設(shè)計(jì)技術(shù)。結(jié)合以上的計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的有效設(shè)計(jì)，在下一節(jié)中進(jìn)行了深入的探討和分析。

3 鐵耗的實(shí)驗(yàn)研究

以一臺18槽12極大，額定功率為40kW的永磁同步電機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，對其工作性能進(jìn)行了多方面的分析和探討，如下圖2所示。

圖2 永磁同步電機(jī)剖面圖

當(dāng)定子槽內(nèi)繞組不通入電流時，磁場僅由磁鋼作用產(chǎn)生，此時通過有限元計(jì)算便可得到空載磁場的計(jì)算結(jié)果。圖3為空載時氣隙磁密波形圖,可知?dú)庀洞琶艿那鞍胫芷诓ㄐ屋^好（磁鋼對準(zhǔn)齒部），而后半周期，由于磁鋼正好對準(zhǔn)定子槽口，故波形有個凹坑，可見齒槽配合及槽口大小對氣隙磁密影響很大。

圖3 磁密分布圖

圖4 電機(jī)工況map圖

從圖4中，我們可以看出電機(jī)在各個運(yùn)行工況下，均能具有良好的電磁轉(zhuǎn)矩，保證電機(jī)正常工作。由此，可以間接地證明了本文提出方法的有效性。

4 結(jié)論

電機(jī)的損耗與電機(jī)的轉(zhuǎn)速、電流有關(guān)，而電機(jī)產(chǎn)生的熱量也與電機(jī)的結(jié)構(gòu)有著緊密關(guān)系。良好的散熱結(jié)構(gòu)是保障電機(jī)性能的關(guān)鍵，因此電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要。本文中中提出了一種新型的損耗計(jì)算公式，不僅簡化了損耗計(jì)算的復(fù)雜性，而且能夠快速的實(shí)現(xiàn)電機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；并且，針對電機(jī)的散熱能力進(jìn)行了研究和探討，以達(dá)到審核電機(jī)目的。最后，通過有效的試驗(yàn)仿真證明本文提出方法的有效性和合理性。

[1][沈啟平.車用高功率密度永磁同步電機(jī)的研究[D].沈陽工業(yè)大學(xué)，2012.

[2] Yamazaki K,Kumagai M,Ikemi T,et al.A Novel Rotor Design of Interior Permanent-Magnet Synchronous Motors to Cope with Both Maximum Torque and Iron-Loss Reduction[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2013,49(6):2478-2486.

[3] Limsuwan N,Shibukawa Y,Reigosa D D,et al.Novel Design of Flux-Intensifying Interior Permanent Magnet Synchronous Machine Suitable for Self-Sensing Control at Very Low Speed and Power Conversion[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2010,47(5):555-562.

[4]唐任遠(yuǎn).現(xiàn)代永磁同步電機(jī)理論與設(shè)計(jì)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[5]孔曉光，王鳳翔，徐云龍，邢軍強(qiáng).高速永磁電機(jī)鐵耗的分析和計(jì)算[J].電機(jī)與控制學(xué)報，2010.9，14(9)：26-30.

[6]劉曉芳，趙海森，陳偉華，顧德軍.電機(jī)鐵耗的有限元計(jì)算方法研究進(jìn)展及有待解決的問題[J].電機(jī)與控制應(yīng)用，2010，37（12）：1-6.