转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响

第42卷第9期2008年9月浙　江　大　学　学　报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science )Vol.42No.9Sep.2008收稿日期:2007205229.浙江大学学报(工学版)网址:/eng基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y104442),留学人员科技活动项目择优资助项目.作者简介:周凤争(1981-),男,天津人,博士生,主要从事超高速永磁无刷直流电机的研究.E 2mail :zhoufengzheng @hot 通讯联系人:沈建新,男,教授,博导.E 2mail :j_x_shen @DOI :10.3785/j.issn.10082973X.2008.09.022转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响周凤争1,2,沈建新1,王　凯1(1.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;2.天津市电力公司技术中心,天津市300040)摘　要:针对转子涡流损耗在高速电机中比较严重的问题,通过有限元分析研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响.分析表明:当永磁体周向宽度小于谐波磁场在永磁体中的透入深度时,永磁体分块能有效地减小永磁体中的涡流损耗;反之,永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加.利用涡流磁场的屏蔽作用,在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜片.尽管铜片中会产生涡流损耗,但该涡流产生的磁场抵消了气隙磁场的谐波分量,使永磁体、转子铁心以及保护环中的损耗显著减小,整体上降低了转子涡流损耗.关键词:永磁无刷直流电机;高速电机;转子涡流损耗;永磁体分块;铜屏蔽层中图分类号:TM351 文献标识码:A 文章编号:10082973X (2008)0921587204Influence of rotor structure on rotor eddy 2current loss in high 2speed perm anent m agnet brushless DC motorsZHOU Feng 2zheng 1,2,S H EN Jian 2xin 1,WAN G Kai1(1.College of Elect rical Engineering ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310027,China;2.Technical Center of Tianj in Elect ric Power Corporation ,Tianj in 300040,China )Abstract :Rotor eddy 2current lo ss appears significant in high 2speed permanent magnet brushless DC (PM BLDC )motors.The effect of segmenting magnet s on rotor lo ss was analyzed wit h finite element analysis.Only when t he circumferential widt h of t he magnet segment is smaller t han t he skin dept h ,t he eddy 2cur 2rent lo ss in t he magnet s can be reduced by segmenting ,ot herwise t he eddy 2current loss will increase.By using t he shielding effect of t he eddy 2current magnetic field ,a copper shield wit h high conductivity was used between t he retaining sleeve and magnet s.Alt ho ugh eddy 2current loss is induced in t he copper shield ,t his eddy 2current magnetic field reduces t he harmonic field in t he air 2gap ,so t hat t he lo ss in t he magnet s ,rotor yoke and retaining sleeve are cut down dramatically ,resulting in a reduction of t he overall rotor eddy 2current lo ss.K ey w ords :permanent magnet brushless DC motor ;high 2speed motor ;rotor eddy 2current loss ;magnet segment ;copper shield 近年来,高速永磁无刷直流电机因其高功率密度、高效以及良好的可控性等优点越来越得到工业界的青睐.目前高速电机的发展仍然受到一些技术问题的限制.例如,转子涡流损耗在中、低速无刷直流电机中往往是可忽略的,但是在高速无刷电机中比较严重,会引起转子永磁体过热与不可恢复性退磁.转子涡流损耗主要是由定子电流的时间和空间谐波以及由定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的.在高速永磁无刷直流电机中转子涡流损耗一般比风摩损耗严重,有必要采取必要的措施来降低转子涡流损耗.例如,周凤争等人[1]对比研究了定子结构对转子损耗的影响,Isao 等人[2]通过在逆变器的直流侧调节电流的方法来降低电枢电流的时间谐波分量以及通过增加气隙长度的方法来降低转子涡流损耗.Kais 等人[3～5]通过对转子永磁体分块的方法来减小转子永磁体中的涡流损耗,可文中假设谐波磁场在永磁体中的透入深度远远大于永磁体的厚度和宽度,并且忽略了永磁体中涡流磁场对谐波磁场的屏蔽作用.由于永磁体的透入深度和谐波频率的平方根成反比,随着转速的提高,文献[3～5]的假设就不成立了.本文的研究结果也证明:当永磁体周向宽度大于谐波磁场的透入深度时,永磁体分块并不能减小永磁体中的涡流损耗.Zhou 等人[6]证明了永磁体中的涡流磁场对高速电机磁场影响很大,不能忽略.本文利用涡流磁场对谐波磁场的屏蔽作用,通过在转子保护环和永磁体磁环之间增加一层高电导率铜片的方法来减小转子损耗,分析表明该方法能进一步减小转子涡流损耗.1　永磁体分块对转子损耗的影响本文设计了一台额定电压、额定功率和转速分别为60V 、2kW 和150×103r/min 的2极、3相永磁无刷直流电机.其初始结构如图1所示,表1列出了电机的设计参数.表中:q 、R o 、R s 、R sl 、R m 、R y 和L a 分别为每相绕组匝数、定子外径、定子内径、保护环外径、永磁体外径、转轴外径和定子铁心长度.图1　高速永磁无刷直流电机Fig.1　High 2speed PM BLDC machines表1　电机的设计参数Tab.1　Machine design parametersq R o /mmR s /mmR sl /mm R m /mmR y /mmL a /mm835151210736电机额定运行时的电流波形如图2所示,电机运行于两两导通三相六状态方式.转子坐标系的三相等效电流表达式为[4]图2　额定运行时的电流波形和频谱Fig.2　Waveform and spectrum of rated phase currentJ (1)=∑∞k =032J n cos ((n -1)ωt -θ),n =3k +1;J (2)=∑∞k =0-32J n cos ((n +1)ωt +θ),n =3k +2;J (3)=0,n =3k;J (θ,t )=J (1)+J (2)+J (3).(1)式中:k =0,1,2,…;n 表示时间谐波的次数;ω代表转子电角速度;J n =(2N s I n /(πR s ))K w n ,其中N s 、I n 、R s 和K w n 分别为定子每相串联匝数、n 次谐波电流幅值、定子内半径和绕组系数.电流仅存在奇数次谐波分量,电流的基波分量(n =1)合成的电枢磁场和转子磁场同步,不会在转子中产生涡流损耗,从公式(1)中可以看出,5次和7次时间谐波分量合成的电枢磁场以6倍转子角速度相对转子旋转,11次和13次时间谐波分量合成的电枢磁场以12倍转子角速度相对转子旋转,依此类推.所以,相对转子而言,这些谐波分别是6次、12次、18次…谐波,与转子异步,在转子中产生大量的涡流损耗,是转子涡流损耗的主要部分[7].为了提高转子的机械强度,在永磁体表面包裹一层高强度的非磁性材料碳素纤维保护环,永磁体采用耐高温的钐钴,转轴采用导磁不锈钢2Cr13.在额定转速时,各次谐波磁场在转子中的透入深度如表2所示.表中d 代表谐波磁场的透入深度.本文采用暂态有限元模型分析了永磁体周向分块对转子涡流损耗的影响.图3示出了永磁体分块数(m )为1、2、4、18和36块的模型.图4是相应模8851浙　江　大　学　学　报(工学版) 第42卷　表2　谐波磁场的透入深度Tab.2　Skin depths in different rotor materials nd /mm永磁体碳素纤维转轴6 2.7722.60.1612 1.9616.00.11181.6013.10.09型下永磁体中的涡流损耗P m .当永磁体的分块数m 小于18时(此时永磁体的周向宽度大于谐波磁场在永磁体中的透入深度),谐波磁场在永磁体中产生的涡流反而增强,永磁体分块和单一永磁磁环相比,涡流损耗会增加很多.只有当永磁体的宽度小于透入深度时,永磁体中的涡流才会减弱,损耗才会降低.这从表3中可以看出来,P m 、P c 、P s 和P r 分别表示永磁体中、碳素纤维保护环中、转轴中的涡流损耗以及总的转子涡流损耗.表3　转子涡流损耗Tab.3　Rotor loss with segmenting magnets WmP mP cP sP r19.600.730.1710.50211.90 1.29 1.3714.56421.00 2.83 2.2726.10817.54 6.277.4431.2518 5.508.8310.3624.6936 1.989.0810.9722.03 再对转子的总体涡流损耗进行考察.采用永磁磁环时,永磁体的涡流对保护环和转轴有屏蔽作用,谐波很难透入到转轴里面,因此转轴和保护环中的损耗很小.随着永磁体分块的增加,涡流磁场的屏蔽作用减弱,损耗由永磁体转移到了转轴和保护环中.当永磁分块的宽度小于其透入深度时,虽然永磁体中的涡流损耗减小了,但是转轴和保护环中的损耗增加很多,使转子总体损耗仍然很高.从表3可以看出,随着永磁体分块数的增加,转子总体涡流损耗随之增加,只有当分块数很大时(例如18块以上),转子总体涡流损耗才呈现下降的趋势.但是在实际电机中不可能将永磁体分成那么多块.因此对于高速永磁无刷直流电机来说,永磁体不适合分块,这与中、低速电机中的情况恰好相反.由于中、低速电机中透入深度大,容易满足永磁体周向宽度小于透入深度的要求.2　屏蔽层对转子损耗的影响由第1章的分析可知永磁体中的涡流能抵消气隙谐波磁场,对转子涡流损耗有屏蔽作用,利用这一规律,在转子永磁体和保护环之间加一薄层铜片做为屏蔽层来减小转子涡流损耗,其结构如图5所示.图6对比了铜屏蔽层对转子损耗的影响.当铜屏蔽环的厚度取为0.5mm (等于额定转速时的6次谐波磁场在铜环中的透入深度)时,涡流损耗主要集中在铜屏蔽环中,铜环中的涡流对谐波磁场有屏9851第9期周凤争,等:转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响蔽作用,减小了转子其他部分的损耗,尤其使永磁体中的损耗从10W降低到0.3W,转子总体涡流损耗降低了40%.3　结　语本文分析了不同的转子结构(永磁体分块和铜屏蔽层)对高速永磁无刷直流电机转子损耗的影响.分析表明,只有当永磁体周向分块的宽度小于谐波磁场在永磁体中的透入深度时,永磁体分块才能减小永磁体的涡流损耗,反之,不能减小永磁体中的涡流损耗.对于转子为永磁磁环的情况,涡流损耗主要集中在永磁体中,其中的涡流对谐波磁场有屏蔽作用,使得谐波很难透入到转轴中,因此转轴中的涡流损耗很小.永磁分块后,永磁体中涡流的屏蔽作用减弱,使得转子总体损耗增加.利用涡流的屏蔽作用,本文在保护环和永磁体之间增加了一薄层电导率很大的铜片,分析表明铜屏蔽层不仅使得永磁体和保护环中的损耗大幅减小,而且使转子总体涡流损耗降了40%,进一步降低了转子损耗.因此高速永磁电机的转子结构可采用带铜屏蔽层的磁环结构.参考文献(R eferences):[1]周凤争,沈建新,林瑞光.从电机设计的角度减少高速永磁电机转子涡流损耗[J].浙江大学学报:工学版, 2007,41(9):158721591.ZHOU Feng2zheng,SH EN Jian2xin,L IN Rui2guang.Reduction of rotor loss in high2speed PM motors by de2 sign method[J].Journal of Zhejiang U niversity:E ngi2 neering Science,2007,41(9):158721591.[2]ISAO T,TA KEHISA K,SU Gui2jia,et al.A superhigh speed PM motor drive system by a quasi2current source inverter[J].IEEE T ransactions on I ndustry Application,1994,30(3):6832690.[3]KA IS A,HOWE D,P HIL IP M,et al.Rotor loss inpermanent2magnet brushless ac machines[J].IEEE T ransactions on I ndustry Application,2000,36(6): 161221618.[4]HIROA KI T,XIA Zhen2ping,WAN G Jia2bin,et al.Rotor eddy2current loss in permanent magnet brushless machines[J].IEEE T ransactions on Magnetics,2004, 40(4):210422106.[5]POL INDER H,HO EI J MA KERS M.Eddy2current los2ses in the segmented surface2mounted magnets of a PM machine[J].IEE Proceeding on E lectrical Pow er Appli2 cation,1999,146(3):2612266.[6]ZHOU Feng2zheng,SH EN Jian2xin,FEI Wei2zhong,etal.Study of retaining sleeve and conductive shield and their influence on rotor loss in high2speed PM BLDC motors[J].IEEE T ransactions on Magnetics,2006,42(10):339823400.[7]ZHU Zi2qiang,N G K,SCHOFIELD N,et al.Im2proved analytical modeling of rotor eddy current loss in brushless machines equipped with surface2mounted per2 manent magnets[J].IEE Proceeding on E lectrical Pow er Application,2004,151(4):6412650.(上接第1505页)[2]HUN G H H,YAN G Y B.A review of researches onground2borne vibrations with emphasis on those induced by trains[J].Proceeding of the N ational Science Council, R OC(A),2001,25(1):1216.[3]BITZENBAU ER J,DIN KEL J.Dynamic interactionbetween a moving vehicle and an infinite structure excit2 ed by irregularities Fourier transforms solution[J].Archive of Applied Mechanics,2002,72:1992211. [4]L A I C G,CALL ERIO A,FACCIOL I E.Prediction ofrailway2induced ground vibrations in tunnels[J].Jour2 nal of Vibration and Acoustics,2005,127:5032514. [5]HUN T H E M.Modeling of rail vehicles and track forcalculation of ground2vibration transmission into build2 ings[J].Journal of Sound and Vibration,1996,193(I): 1852194.[6]周云,王柏生.行驶列车引起的周边建筑物振动分析[J].振动与冲击,2006,25(1):36241.ZHOU Yun WAN G Bai2sheng.Dynamic analysis ofbuilding vibration induced by train along railways[J].Journal of Vibration and Shock,2006,25(1):36241. [7]郑薇.列车经过对周边建筑的振动影响分析[D].杭州:浙江大学,2006.ZH EN Wei.The influence of train2induced vibration on buildings[D].Hangzhou:Zhejiang University,2006.[8]中华人民共和国国家标准.城市区域环境振动测量方法G B10071—1988[S].北京:中国标准出版社,1989.[9]王柏生.单源模糊数及其运算[J].模糊系统与分析,1998,12(2):49254.WAN G Bai2sheng.Monosource f uzzy numbers and their operations[J].Fuzzy Systems and Mathem atics,1998, 12(2):49254.[10]徐仲杰.预测列车对拟建建筑物的振动影响[D].杭州:浙江大学,2007.XU Zhong2jie.Predicting proposed buildings vibration induced by trains[D].Hangzhou:Zhejiang University,2007.0951浙　江　大　学　学　报(工学版) 第42卷　。