采用软磁复合材料设计高速爪极式永磁电机
基于软磁复合材料的超高速永磁同步电机电磁设计分析
基于软磁复合材料的超咼速永磁同步电机电磁设计分析韦福东，王建辉，刘朋鹏!上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海200063]摘 要：软磁复合(SMC )材料因其材料特性及微观结构特点，具有涡流损耗系数低、各向同性等优点，适用于超高速永磁同步电机(PMSM )设计，可以有效降低电机铁耗。
以1台额定转速4 000 .01、额定频率533.33 Hz 的PMSM 为例，从电磁特性、铁耗 计算等SMC 材料及进行对比分析及有限元仿真计算，通过样机SMC 材料 结 有效性。
利用方法,以1台 用SMC 材料的120 000 .02的超高速PMSM 为例,对比分析不同极槽配合对电磁性能的影响，对SMC 材料应用于超高速PMSM。
关键词：超高速永磁同步电机；软磁复合材料；铁耗分析中图分类号：TM 351文献标志码：A文章编号：1673-6540 ( 2021)01-0078-05doi ：10.12177/eoca.2020.171Electromagnetic Design and Analysis of Ultra-High-Speed MotorBased on Soft Magnetic Composite Material *收稿日期：2020-10-09；收到修改稿日期：2020-10-29*基金项目：广东省重点领域研发计划项目(2019'090909002)作者简介：韦福东(1992-)，男，硕士，研究方向为电机设计与控制技术°王建辉(1971-)，男，博士，副教授,研究方向为电机设计与控制技术。
刘朋鹏(1990-)，男，硕士，研究方向为电机设计与控制技术°WEI Fudong, WANG Jianhui, LIU Pengpeng[Shanghai Electrical Apparatus Research Institute (Group ) Co. Ltd., Shanghai 200063, China]Abstract ： Due te ite oateOal characteristica and microstructure, soft magnetic composite (SMC) oateOal hasthe advantages of low eddy current loss coeCicient, isotropy and so on. Ie is suitable foe the design of ultra-high-speedpermanene maanet synchronous motoe (PMSM), which can eeectively reduce the motoe iron loss. Taking a PMSMwith a rotation speed of 4 000 r/min and a frequency of 533.33 Hz as an example, the comparison analysis and finite elemeni simulation calculation of SMC materials and silicon sted sheete ao ccrried out from the aspecte ofelectomagnetic propeoies and iron loss analysis. The validity of SMC materiai analysis resulte is verified by prototypetest. The analyticd method is used and a 120 000 r/min ultro-high-speed PMSM using SMC materiae is taken as anexampe t 。
爪极永磁同步电机的设计特点
爪极永磁同步电机的设计特点李开成张健梅（华中理工大学武汉430074）【摘要】介绍爪极永磁同步电机转子的结构及设计特点，并说明了一些主要结构尺寸间的关系。
【叙词】永磁电机同步电机设计1引言爪极永磁同步电机的永久磁铁形状简单，极间漏磁大，磁铁过载能力强，机械强度高，普遍用于变流机和变频机，发电机的制造容量自数百瓦到数千瓦。
当频率在1000Hz以内时，制造容量可达数十千伏安。
这种电机由于转子采用爪极结构，而爪极的形状又可多种多样，因此，较普通永磁同步电机计算复杂。
这种电机的分析和设计，在国内外文献中介绍较少。
本文介绍爪极永磁同步电机的设计特点及爪极转子的设计。
2爪极式转子的结构及其特点爪极式转子通常由两个带爪的法兰盘和一个圆环形永久磁铁组成，如图1所示。
图la和c为左右两个带爪子的法兰盘，二者爪数相等，且等于极数的1/2。
图lb为圆环形磁铁沿转子轴向充磁。
图ld为装配图，左右为两个法兰盘对合，二者爪子互相错开，沿圆周均匀分布。
圆环形永久磁铁夹在两个带爪法兰盘中间，使一个法兰盘上的爪子皆为N极性，另一个法兰盘上的爪子皆为S极性，形成如图le所示的多极转子结构。
显然，法兰盘上的爪子起了极靴的作用。
爪极永磁同步电机中，电机的全部磁通(P对极)轴向穿过圆环形磁铁，进入爪极，经气隙进入定子，爪极中的磁路如图2所示。
爪极通常由10号钢制成，或由钢板冲成，也可由粉末冶金直接压制成形。
由于磁通轴向通过爪子，爪子的每一截面通过的磁通不相等，爪尖最少，爪根最多。
爪子的截面积沿电机轴向是变化的，爪尖部分的面积最小，爪根部分最大。
爪极的形状多种多样，有等宽爪极、梯形爪极，还有正弦爪极。
图3为梯形爪极形状。
爪极永磁同步电机中的爪极式转子的优点为：①永久磁铁形状简单，易加工，磁化状态均匀，磁性好，利用程度高。
②横向电枢反应在爪极中闭合，磁铁几乎不受影响，气隙磁场稳定，不会发生不可逆畸变。
③爪极之间的漏磁较大，纵轴电枢反应对电机的去磁作用较小，磁铁具有较强的过载能力。
软磁复合材料与硅钢片材料的永磁电机性能差异研究
软磁复合材料与硅钢片材料的永磁电机性能差异研究赵国新;孔德财;高晓林【摘要】软磁复合材料是由表面带有绝缘的金属粉末颗粒压制而成,具有涡流损耗小、各向同性的特点,近年来得到了一定的应用,但其磁滞损耗大,磁导率低,所以其适用场合及与硅钢片性能的具体差异还需要进一步的深入研究.该文首先利用环形试样法测试软磁复合材料的磁特性,得到其空载磁化曲线和不同频率下的损耗数据.然后,为对比分析软磁复合材料和硅钢片材料在电机应用中的差异,分别使用软磁复合材料和硅钢片设计两台永磁同步电机,分析计算两种材料电机的磁场、铁耗以及铁耗在不同频率下的变化规律.最终通过样机测试掌握了两种材料在永磁电机中应用的差异,验证了计算的准确性,总结了软磁复合材料的应用范围.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2018(033)0z1【总页数】7页(P75-81)【关键词】软磁复合材料;损耗测试;永磁电机;实验对比【作者】赵国新;孔德财;高晓林【作者单位】沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870【正文语种】中文【中图分类】TM351软磁复合材料（Soft Magnetic Composite materials, SMC）是采用粉末冶金技术将预先混合的高纯度带有绝缘层的铁粉与有机材料模压成型得到，近年来在电机等领域中得到了广泛的研究与应用[1-4]。
SMC材料可以直接模压成型的特点使电机结构、电磁设计更加灵活多样和新颖，为电机的应用、发展开辟了新方向，吸引了广大研究学者[5-7]。
SMC材料电阻率高、涡流损耗低，使得SMC材料更适合应用于高频电机中，但是SMC材料也有一些不可避免的缺点，如磁导率低、磁滞损耗大等。
因此，SMC材料在电机中的应用规律及特点仍有待进一步深入研究。
文献[7]对SMC材料电机做了充分的研究，发现在不同转速、不同输出功率时，SMC和硅钢片两种材料的电机性能不同，所做电机在1 000r/min和625r/min 时，SMC材料电机效率低，在电机电流为4A时，效率分别比硅钢片电机降低了28%和34.7%；在1 500r/min以上时，SMC材料电机效率高，比硅钢片电机提高了3%。
采用三维有限元设计高速爪极式永磁电机
机 的磁通 、 磁链 、 电感 、 转矩和铁耗等参数的计算 提出了解决方法 ， 通过与样 机实验结果相 比较 ， 证明 了所用方法 的
正确性 ， 得到的结论对软磁复合材料的应用及爪 极式 电机 的设计 与分析都具有一定参考价值。
关键词 ： 三维有 限元 ； 极式永磁 电机 ； 爪 软磁 复合材料 ； 参数计算 中图分 类号 ： Ｍ３ ５ Ｔ ５ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ：０４— ０ ８ ２０ ）７—００ ０ １０ ７ １ （０ ７ ０ ０ ４— ４
天、 飞轮 蓄能 、 电动工 具 、 心压缩 机 、 汽轮 发 电机 离 微 等许多 领域 ， 速从 ２ ０～ ０ ０ ／ ｉ ， 且应 转 ００ ２ ００ ０ ｒｍ ｎ 并 用 领域 仍在不 断扩 大 。
１电机 结构
三相爪极 式永磁 电机 的定 子 由三个相 同结构 的
部 件彼 此错 开 １０ 电角ห้องสมุดไป่ตู้度 而组 成 ， ２。 每个 部 件 由两 个
相 同的带有爪 极 的法 兰盘 组 成 ， 图 １所 示 。两 个 如
软 磁 复合 材料 采 用粉 末 冶金 技 术制 造 ， 由表 面
绝缘 的金属粉 末颗 粒 组成 ， 以一 步压 制 成 具 有复 可
图 １ 爪 极 式 永 磁 电机 单 部 件不 意 图
法兰 盘相对 放 置 ， 极 相 互 交 错 ， 沿 圆 周 间 隔 分 爪 并 布， 每一部 件 的爪 极总 数与 电机极 数相 同 ， 法兰 在两 析常 用 的有 等值 磁路 法 和 等效 二 维 磁场 法 ， 这
ｍｏｏ ｓ，ｏａｉ ｎ ｏ ｅ ｌ ｓ ｄｅ ｓ ｅ ｔｒ ｒ ｔｔｏ ａ ｃ ｒ ｏ ｓ ｍｏ ｌｗａ ｍｐｌｙ ｄ ｉ ｈ ｓ ｐａ ｒ ｌ ｏ ｅ ｎ ｔ ｉ ｐｅ ．Ｔｈ ｐ ｏｏｙ ｅ ｎｄ ｔｓ ｅ ｕ ｔ ｗｅ ｅ ｉｃ ｓ ｅ ｆｎ ｌ ｈ ｅ ｅ ｒ ｔｔｐ ａ ｅｔ ｒ ｓ ｌｓ ｒ ｄｓ ｕ ｓ ｄ ｉ ａｌ ｙ．Ｔ ｍｅｈｏ ｎ ｅ ｕｔｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｉ ｈｉ ａ ｅ ｒ ｅｕｌｔ ｈ ｐｐｉ ａｉｎ ｏ ｔ ｄ ａ ｄ ｒｓ ｌ ｒ ｓ ｎ ｅ ｎ ｔ ｓ ｐ ｐ ｒｗｅ ｅ ｕｓ ｆ ｏ ｔｅ ａ ｌｃ ｔｏ ｆＳＭＣ ｔｒａ ｓ ｍａｅ ｌ ． ｉ Ｋｅ ｒ ｙ ｗｏ ｄｓ： Ｄ ＥＡ ； ｌｗ — ｐ ｌ ｅ ａ ｅ ｔｍｏ ｏ Ｓ Ｃ ｔｒａ ； ｒ ｍｅ ｅｓ ｃ ｃ ｌｔｏ ３ Ｆ ｃａ ｏ ｅ ｐ ｒ ｎ ｎ ｔｒ； Ｍ ｍ ｍａｅ ｌ ｐａａ ｔｒ ａ ｕ ａｉｎ ｉ ｌ
高速永磁爪极电机铁耗与空气摩擦损耗计算
高速永磁爪极电机铁耗与空气摩擦损耗计算刘光伟;赵新刚;张凤阁;赵鑫;Wenping Cao【摘要】高速电机由于采用高频电源供电,铁心损耗较常规电机突出,且高速旋转引起的空气摩擦损耗亦非常严重.此外爪极电机磁路结构复杂且其磁通呈三维分布,因此需要考虑三维磁场、高频谐波和高速旋转等因素,针对该种高速电机损耗计算模型进行研究.首先通过三维有限元电磁仿真软件对该种电机的磁场分布特点进行分析;然后采用三维正交交变磁化近似等效旋转磁化建立铁耗计算模型,并考虑高频谐波对其影响,通过与有限元软件计算结果对比,验证了计算模型的准确性;此外针对转子转速、转子表面光滑度、轴向风速等因素对空气摩擦损耗的影响进行分析;最后通过实验验证了铁心损耗和空气摩擦损耗计算方法的准确性.【期刊名称】《电工技术学报》【年(卷),期】2015(030)002【总页数】7页(P148-154)【关键词】高速电机;永磁电机;爪极电机;铁耗;空气摩擦损耗【作者】刘光伟;赵新刚;张凤阁;赵鑫;Wenping Cao【作者单位】沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870;沈阳工业大学电气工程学院沈阳 110870;Queen's University Belfast Belfast BT9 5AH U.K.【正文语种】中文【中图分类】TM3511 引言高速电机作为高速驱动系统的核心部件，具有体积小、效率和功率密度高、一体化程度好等突出优点，已成为高端装备制造领域研究热点之一。
在飞轮储能系统、石化产品加工、高速机床主轴电机等领域应用前景广阔[1-3]。
高速永磁爪极电机（HPCM）不仅具有效率和功率密度高的特点，与同功率常规电机相比体积小、重量轻，此外该电机还继承了常规爪极电机所具有的结构简单和成本低等优点，该电机爪极部分采用软磁复合材料（Soft Magnetic Composite，SMC）制成，该材料具有低涡流损耗、各向同性、可加工成任意形状的优点，特别适合应用于高速爪极电机[4-6]。
电动机的电磁设计与性能优化方法
电动机的电磁设计与性能优化方法电动机作为一种能够将电能转化为机械能的装置，广泛应用于各个领域。
在电动机的设计过程中，电磁设计是其中至关重要的一环，它直接决定了电动机的性能。
本文将介绍电动机的电磁设计原理，并探讨几种常用的性能优化方法。
一、电磁设计原理电动机的电磁设计是根据电动机工作原理和要求，通过合理配置导磁、绕组和气隙等参数，使电动机能够产生所需的磁场和转矩。
下面将介绍几个影响电动机性能的关键参数。
1.1 导磁材料导磁材料的选择对电动机的性能有着直接的影响。
常见的导磁材料有硅钢片、铁氧体和软磁复合材料等。
硅钢片具有低磁滞损耗和低铁损耗的特性，适合用于低频电磁设备。
而铁氧体材料的饱和磁感应强度高，适合用于高频电磁设备。
软磁复合材料是一种新型材料，具有优异的导磁性能和机械性能，是未来电动机设计的发展方向之一。
1.2 绕组设计绕组是电动机中起到传递电能和产生磁场的关键部件。
在绕组设计中，需要合理选择导线截面积和绕组方式，并考虑电压、电流和导线阻抗等参数。
合理的绕组设计可以提高电动机的效率和输出功率。
1.3 气隙设计气隙是指转子和定子之间的间隙，对电动机的磁路和转矩产生重要影响。
合理设计气隙可以提高电动机的输出功率和转矩密度。
在气隙设计中，需要考虑转速、负载和绕组参数等因素，通过数值模拟和实验验证，得出最佳的气隙设计参数。
二、性能优化方法在电动机的设计过程中，为了提高其性能，常常需要采取一些优化方法。
下面将介绍几种常见的性能优化方法。
2.1 材料优化通过选择合适的导磁材料和绝缘材料，可以提高电动机的效率和输出功率。
例如，在高频电磁设备中，可以选用高频导磁材料来减小磁损耗。
在绝缘材料方面，可以选择高温耐受性好的材料，以提高电动机的工作温度。
2.2 结构优化电动机的结构优化可以通过改变导磁路径、绕组结构和定子转子结构等方式进行。
例如，在电动机的铁芯结构中采用分段式绕组，可以减小铁芯的磁滞损耗。
同时，对于大型电动机来说，可以采用分段定子的结构，以提高绕组的散热性能。
软磁复合材料在轴向磁场永磁风力发电机中的应用
软磁复合材料在轴向磁场永磁风力发电机中的应用软磁复合材料是由软磁性金属颗粒和绝缘基质组成的一种复合材料。
软磁复合材料因其具有良好的软磁特性和高温稳定性，在电气和电子领域中得到广泛应用。
其中，软磁复合材料在轴向磁场永磁风力发电机中的应用受到了极大的关注和重视。
本文将从轴向磁场永磁发电机的工作原理、软磁复合材料的特性以及其在发电机中的应用等方面进行探讨。
轴向磁场永磁风力发电机是一种新型的风力发电机，其工作原理是通过利用风能驱动风轮产生机械能，进而通过发电机将机械能转换为电能。
在轴向磁场永磁发电机中，通过将多个磁铁排列于转子上，形成一个轴向磁场，利用电流感应原理产生电流，实现电能的转换。
在此过程中，软磁复合材料被应用于发电机的核心部件，定子和转子。
软磁复合材料具有优异的磁导率和低的磁化损耗，这使得其在磁化过程中能够减少能量的损耗，提高能量的传递效率。
另外，软磁复合材料还具有良好的耐高温性能，能够在高温环境下保持较好的软磁性能。
这一特性对于轴向磁场永磁风力发电机来说十分重要，因为发电机在运行过程中会产生较高的温度，而软磁复合材料的应用可以有效地提高发电机的工作效率和可靠性。
首先，在定子和转子中的磁场控制方面，软磁复合材料可以用于增加磁场的密度和强度，提高发电机的输出功率。
通过在定子和转子的磁路中引入软磁复合材料，可以有效地集中和导引磁场，提高磁场的均匀性和稳定性。
此外，软磁复合材料还可以用于制造非均匀磁场，从而实现高效的能量转换。
其次，在电磁铁和线圈中的磁场导向和集中方面，软磁复合材料可以用于控制和调节电磁铁和线圈的磁场分布和强度。
通过在电磁铁和线圈的磁路中引入软磁复合材料，可以有效地减少漏磁和磁化损耗，提高电磁铁和线圈的效能。
总之，软磁复合材料在轴向磁场永磁风力发电机中的应用具有广阔的前景和重要的意义。
软磁复合材料的应用可以提高发电机的工作效率和可靠性，提高风能的利用效率，推动可再生能源的发展。
随着科学技术的不断进步和发展，软磁复合材料在轴向磁场永磁风力发电机中的应用将会越来越广泛。
采用软磁复合材料设计高速爪极式永磁电机
Ａｂｔ ｃ： ｈ ｅｉ ｆ Ｗ ｉ ｐ ｅ ３ ｍｉ ）ｔ ｅ ｔｃ ａｓｅｓ ｕ ｔ ｉ ｌＳ ｓｒ ｔ Ｔ ｅｄｓ ｎｏ ２ｋ ｈ ｈｓｅｄ（ ０ｋｒ・ ｎ ａ ｇ ａ ｇ ｈ ｅｓ ｋｔ ｎｖｒ ｆ ｘｍｏ ｒ ｔ ａ ＭＣ ｒ ａ ｒ ｅｌ ｏｗｈ ｌ
ｓ ｉ
０ 引 言
高速电机（ 转速大于 １ ０ ｍ ｎ 与普通电 ２００ｒ ｉ） ／ 机相 比较 ， 有 功 率 密度 大 、 何尺 寸 小 、 动 惯 具 几 转
量 小 、 速 度快 等优 点 ， 以直 接与 高速 机械设 响应 可
料 采用 粉末 冶金 技 术 制 造 ， 由表 面 绝缘 的金 属 粉 末 颗粒 组成 ， 以一 步 压 制 成 具 有 复杂 形 状 的部 可
ｌ Ｓ ＭＣ 材 料
维普资讯
研究与设计 ｌ ’ Ａ Ｅ
、 扎 与控 制 应 田 ２０， １ ＞ 毛 ｝ １７ ４（２ １ ３
采用 软磁 复 合材 料 设计 高速 爪 极 式 永磁 电机
黄 允凯 ， 朱建 国 ， 胡虔 生
（ ．东南大 学 电气工程 系， 苏 南京 ２ ０ ９ ； １ 江 １ ０ ６
ａ ｐ ｉａ ｉｎ ｏ ＭＣ ｍａｅ ｉ ｓ ｐ ｌ ｔ ｆＳ ｔｒ ． ｃ ｏ ｌ ａ Ｋｅ ｒ ｓ ｏ ｔｍ ａ ｎ ｔ ｏ ｐ ｓｔ ｔ ｒ ａ ；ｃａ ｐ ｌ ｅ ｍ ａ ｅ ｔｍａ ｎ ｔｍｏ ｏ ；ｆ ｉｅ ｅｅ ｎ ｎ ｙ ｙ ｗｏ ｄ ：ｓ ｆ ｇ ｅ ｃ ｃ ｍ ｏ ｉｅ ｍａ ｅ ｉ ｌ ｌ ｗ－ ｏ ｅ ｐ ｒ ｎ ｎ ｇ ｅ ｔ ｒ ＇ ｔ ｌｍｅ ｔａ ａ － ｉ ｍ ｌ
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Abstract: The design of a 2 kW high speed ( 30 k r·m in - 1 ) three stack transverse flux motor w ith an SMC core is p resented in this paper. Three2dimensional finite element analysis of magnetic fields is used for dimension op2 tim ization, parameters and performance calculation. The method and result p resented in this paper are useful to the app lication of SMC materials.
—8—
图 5 空载时单匝绕组磁链随转子位置变化波形
3. 3 力和转矩 采用虚位移法计算转子所受的电磁力 。计算
的精度与剖分的密度有很大关系 ,剖分越密精度 越高 。力矩可通过下式计算 (设 z轴为旋转轴 ) :
N
∑ T =
( Fyi ·xi - Fx i ·yi )
(2)
i =1
式中 : N ———单元总数 ;
研究与设计 ξ EM CA
2007, 34 ( 12 )
采用软磁复合材料设计高速爪极式永磁电机
黄允凯 1, 2 , 朱建国 2 , 胡虔生 1 (1. 东南大学电气工程系 ,江苏 南京 210096; 2. Facu lty o f Eng ine e ring, U n ive rs ity o f Te chno lo gy, Sydne y N SW 2007 , Au s tra lia )
研究与设计 ξ EM CA
2007, 34 ( 12 )
图 3 磁场计算求解区域
3. 1 每极磁通 图 4是空载时定子磁密分布矢量图 。主磁通
路径为 ,从永磁体的北极 →气隙 →一个爪极 →定 子轭部 →另一法兰上的相邻爪极 →气隙 →永磁体 的南极 →转子 →永磁体的北极 ,形成一个闭合路 线 。计算每极磁通 ,可以在定子轭 A - A ′线处作 一个轴向切面 ,计算该面的磁通即是每极磁通 。
料采用粉末冶金技术制造 ,由表面绝缘的金属粉 末颗粒组成 ,可以一步压制成具有复杂形状的部 件 ,并具有良好的各向同性磁性能 。该材料的物 理结构决定了它的涡流损耗很小 ,但磁滞损耗比 一般硅钢片要大 ,所以它适合用在高频应用场合 下 。为了研究该材料的实际应用 ,本课题设计制 造了一台以 SOMALOYTM500 为定子铁心的高速 爪极式永磁电机 ,额定数据为三相 、4 极 , 30 000 r/m in, 2 kW。
L
λ
=
=N<
(3)
i
i
L
=
2W f i2
(4)
式中 :λ, φ———分别是当 N 匝绕组中通入电流 i
时的绕组中的磁链和磁通 ;
W f ———整个电机中储存的磁场能量 。 要注意的是 ,λ、φ和 W f 仅仅是由电流 i产生的 ,
所以计算电感时应忽略永磁体的作用 。可以将永
磁体的矫顽力设为 0。本文中采用能量法计算 。 因为有限元计算本身就是基于能量最小的原理 , 所以计算每个单元的磁场能量具有较高的精度 。
在 46匝线圈中通入额定电流 9. 2 A 时 ,计算 结果如表 1所示 。从表 1中可见 ,线圈自感几乎 不随转子位置发生改变 。此外 ,由绕组电流产生 的电枢磁场对永磁体的影响也非常小 ,可以忽略 不计 。
© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.
1 SMC材料
目前常用的 SMC 材料有 : 瑞典 H gan s AB 公司的 Perm iteTM 75, ABM100. 32, SOMALOYTM 500 和 SOMALOYTM 550; 加 拿 大 Quebec 公 司 的 ATOM ET EM 21。与硅钢片相比 , SMC材料有以下 一些显著的优点 [ 1 ] 。
能承受变化的磁场 。 SMC 材料的各向同性和易 制造复杂形状的特点正好适用于上述两种情况 。 另一类是在较高频率下工作的电机 ,在许多变频 调速场合下 ,载波频率通常为几百或几千赫兹 ,另 外还有许多高次谐波 。硅钢片在这种情况下会产 生较大的涡流损耗 ,此时 SMC材料涡流损耗小的 特点可以得到发挥 。本课题正是从 SMC 材料的 特点出发设计高速爪极式永磁电机 。
摘 要 : 软磁复合材料适合用于制造结构复杂的小型永磁电机 。在三维有限元分析的基础上 ,进行了以 软磁复合材料为定子铁心的三相爪极式永磁电机的优化设计以及参数计算和性能分析 ;得到的结果对该种 材料的应用具有一定参考价值 。
关键词 : 软磁复合材料 ; 爪极永磁电机 ; 有限元计算 中图分类号 : TM301. 2∶TM351 文献标识码 : A 文章编号 : 167326540 (2007) 1220006204
xi , yi ———第 i个单元中心在直角坐标系中 的 x、y坐标 ;
Fxi、Fyi ———第 i个单元所受电磁力在 x、y方 向的分量 。
3. 4 电感 电感是影响永磁电机性能的重要参数之一 。
由于爪极电机各相磁路互无联系 ,所以各相线圈
只有自感 ,没有互感 。电感的计算可以使用磁链
法 ,如式 (3)所示 ;或者能量法 ,如式 (4)所示 。
- Δθ/2,
- z)
(1)
其中 ,Δθ = 90°, 是一个极距所占的机械角度范
围 。这里采用 ANSYS软件进行磁场计算 。
—7—
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D esign of a H igh Speed C law2Pole Permanen t M agnet M otor w ith Soft M agnetic Com posite Core
HUAN G Yun2ka i1, 2 , ZHU J ian2guo2 , HU Q ian2sheng (1. Departm ent of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China;
图 4 空载定子磁密分布矢量图
3. 2 绕组空载磁链 在电机旋转过程中 ,绕组磁链随转子的位置
发生 变 化 , 并 因 此 在 绕 组 中 产 生 感 应 电 势 ( EM F) ;感应电势的频率取决于转子的转速 ,波 形则取决于绕组磁链的波形对时间求导 。在爪极 电机中 ,绕组磁链等于每极磁通乘以极数和绕组 匝数 。要获取磁链波形 ,就要在不同转子位置计 算每极磁通 。
(4)低成本 :对于大批量生产 ,这种材料在压 制过程不仅简单而且没有边角料浪费 ,所以成本 将大幅减少 。
但 SMC材料也有如下明显缺点 [ 2 ] 。 (1)磁导率低 : SMC材料的磁导率比硅钢片 要小 ,一般相对磁导率的最大值在 500 左右 。因 此 , SMC材料适合用在对铁心磁导率要求不高的 电机中 ,如永磁电机 、交流换向器电机等 ,不适合 用在异步电机 、磁阻电机这类对铁心磁导率要求 较高的电机中 。 (2)磁滞损耗大 :由于自身物理结构的原因 , SMC材料的磁滞损耗要比硅钢片大的多 ,因此在 低频场合 , SMC 材料的总损耗要比硅钢片大 (如 图 1所示 ) 。
图 1 SMC材料与不同硅钢片的铁耗对比
根据材料的特点 , 有两类电机最适合采用 SMC材料 :一类是具有复杂形状和磁路的电机 , 象横向磁场电机 、爪极电机 、轴向磁场电机等 。这 类电机形状复杂 ,采用硅钢片难以制造 ;此外它们 的磁路通常是三维的 ,要求铁心在三维方向上都
图 2 爪极电机结构参数
3 三维磁场数值计算
爪极电机各相之间不但在结构上没有联系 ,
而且在磁路上也没有关联 ;再鉴于电机结构的对
称性 ,分析电机内磁场时只需考虑一个部件中的
一个极距即可 。磁场计算模型如图 3所示 。在两
个径向平面 ,施加半周期边界条件 (采用三维极
坐标系 ) :
φ m
( r,Δθ/2,
z)
=Hale Waihona Puke -φ m( r,
为了保持定转子剖分在转子不同位置时保持 一致 ,采用运动边界法 。即沿电机气隙的中心线 画两条完全重合的圆弧 ,将气隙一分为二 ,它们分 别属于定子和转子 。在公共运动边界上 ,定转子 网格重合 ,并且保证相邻节点圆周方向上间距相 等 。这样能保证转子旋转后运动边界上的节点重 合 ,压缩重合的关键点 、节点 ,保持网格的连续性 。 将一个极距范围分成 12 步后计算得到的单匝绕 组磁链波形如图 5所示 。
2 电机结构
三相爪极电机由三个相同结构的部件组成 ; 每个部件由两个相同的带有爪极的法兰盘组成 ; 两个法兰盘相对放置 ,爪极相互交错 ,并沿圆周间 隔分布 ;每一部件的爪极总数与电机极数相同 ,在 两法兰盘之间嵌有单相集中绕组 。图 2是电机结 构及相应参数 。结构尺寸可以用等值磁路法 [ 3 ] 或者等效二维磁场 [ 5 ] 计算方法来确定 。这些方 法虽然简单 ,但是都无法模拟爪极电机中完全三 维结构的磁场 。最有效的方法是三维磁场数值计 算 。与二维比较 ,三维计算需要更多的计算机资 源和时间 。在设计初期确定结构尺寸参数时 ,可 以使用较大尺寸的剖分单元 ,以减少计算量 ;在计 算电机性能 、优化结构时 ,采用较小尺寸的剖分单 元以提高计算精度 。