稀土永磁電機的研究與物理場分析

1、稀土永磁電機的研究與多物理場分析唐唐 任任 遠遠 國家稀土永磁電機工程技術研究中心 靠電流靠電流產(chǎn)生產(chǎn)生稀土永磁稀土永磁產(chǎn)生產(chǎn)生稀 土 永 磁 電 機 與電力電子技術、現(xiàn)代控制技術等先進技術相結合 可以部分替代傳統(tǒng)的電勵磁電機 可以實現(xiàn)電勵磁電機所難以達到的高性能 稀土永磁電機的發(fā)展方向大功率化 高功能化 微型化 小 型 大 型 功 率體 積重 量幾mW 直徑0.8mm、長1.2mm 幾十 MW 直徑12m 一百多噸 轉 速幾小時1轉 每分鐘幾十萬轉 應用場合應用場合遍及計算機、工程裝備、交通運輸、風力發(fā)電、家用電器、醫(yī)療設備、航空、航海、航天、兵器等各個領域，顯示出了強大生命力。 電機結構電

2、機結構也不再局限于傳統(tǒng)的徑向磁通結構，出現(xiàn)了無鐵心、軸向磁通、橫向磁通、直線、雙定子、雙轉子等新型結構。 中國的稀土資源豐富 我國釹鐵硼永磁產(chǎn)量占絕對優(yōu)勢我國釹鐵硼永磁產(chǎn)量占絕對優(yōu)勢中國稀土礦的儲量居世界首位，燒結釹鐵硼永磁的產(chǎn)量約占世界總產(chǎn)量的四分之三左右。這一得天獨厚的豐富資源為中國稀土永磁電機的發(fā)展和應用提供了極為有利的條件。稀土永磁電機追求達到高功率密度、高效率、高動態(tài)響應和低速平穩(wěn)性、低振動噪聲 電機的電磁負荷高，結構新穎而又多樣，增加了設計分析、仿真計算和研究開發(fā)的復雜性。 電機內(nèi)存在著多種不同類型的多場耦合系統(tǒng) 涉及到電磁、機械、電子、流體、熱學等多個學科 相互影響 運用和發(fā)展多

3、場耦合系統(tǒng)，弄清各種場的分布規(guī)律及其控制技術。在此基礎上對各種參數(shù)進行綜合分析比較和優(yōu)化。 分分 類類1新型結構永磁電機 2永磁發(fā)電機3交流永磁伺服電動機4高效異步起動永磁電動機1新型結構永磁電機新型結構永磁電機 隨著電動車、磁懸浮列車和艦船電力推進等大功率電氣傳動技術的發(fā)展,人們對低速、高轉矩密度、直接驅(qū)動電機的要求日益迫切,以減小電機的體積、重量和原材料的消耗,提高電機的功率（轉矩）密度。軸向磁通（盤式）永磁電機橫向磁通永磁電機無鐵心永磁電機為更好地適應這些特殊行業(yè)的需要，在傳統(tǒng)徑向磁通永磁電機的基礎上出現(xiàn)了:1.1 盤式永磁電機盤式永磁電機 盤式永磁電機的氣隙是平面型的，氣隙磁場是軸向的

4、，可以使電機制成扁平型，可獲得很高的轉矩密度。如制成多氣隙組合式結構，可以進一步提高轉矩，特別適合于大轉矩直接驅(qū)動裝置。 1.1 盤式永磁電機盤式永磁電機 盤式永磁電機結構a) 單邊b) 外轉子c) 內(nèi)轉子d) 多盤1.1 盤式永磁電機盤式永磁電機 盤式永磁電機的優(yōu)點是轉矩密度高，由此帶來的關鍵技術之一是冷卻系統(tǒng)的合理設計和電機溫度場分布，需要進行三維流場-溫度場耦合分析。 1.1 盤式永磁電機盤式永磁電機 電機的溫度場分布取決于冷卻介質(zhì)和損耗的分布，為了能夠獲得電機溫度的準確分布，需要建立永磁電機磁場電路流場溫度場的耦合計算模型，在產(chǎn)品開發(fā)階段完成熱性能分析，從而降低試驗成本，縮短設計周期。

5、磁場分布 磁場電路耦合計算磁場電路耦合計算 電流波形 1.1 盤式永磁電機盤式永磁電機 磁場電路耦合計算 焦耳熱流場溫度場耦合計算的熱源 1.1 盤式永磁電機盤式永磁電機 1.1 盤式永磁電機盤式永磁電機 流速分布轉子的溫度場分布電機整機的溫度場分布180kW盤式永磁電機 其轉矩密度達8.5kN/m2，為傳統(tǒng)電機的2倍左右。 1.1 盤式永磁電機盤式永磁電機 1.2 橫向磁通永磁電機橫向磁通永磁電機 傳統(tǒng)電機的齒和槽在同一平面內(nèi)，齒寬和槽寬互相制約。改成橫向磁通電機后可以使轉矩密度相當于傳統(tǒng)結構電機的25倍，特別適用于車、船等直接驅(qū)動場合。 傳統(tǒng)徑向磁通電機的磁路1.2 橫向磁通永磁電機橫向磁

6、通永磁電機 橫向磁通永磁電機結構復雜,內(nèi)部磁場呈復雜的三維分布,在轉子和定子鐵心的齒部, 磁通沿徑向流通, 而定子鐵心軛部的磁通沿軸向流通, 流通方向相互垂直。 橫向磁通電機的磁路需要用三維電磁場分析計算來弄清其電磁場分布規(guī)律和優(yōu)化設計規(guī)律，進而提高其性能。橫向磁通電機的一種典型結構圖 1.2 橫向磁通永磁電機橫向磁通永磁電機 定定 子子 結結 構構 1.2 橫向磁通永磁電機橫向磁通永磁電機 轉轉 子子 結結 構構1.2 橫向磁通永磁電機橫向磁通永磁電機 1.2 橫向磁通永磁電機橫向磁通永磁電機 電機磁密分布 端部漏磁很大。 定子齒外端的磁密較低，越往里齒磁密越高，在軛部與齒部的交接面最高。

7、1.2 橫向磁通永磁電機橫向磁通永磁電機 氣隙磁密分布圖 每一個氣隙帶的磁密分布相間，呈半正弦波形的磁密分布，即一段磁密達到正的最大幅值，而相連的下一段則出現(xiàn)零磁密。 1.2 橫向磁通永磁電機橫向磁通永磁電機 氣隙磁密分布圖 對于內(nèi)外氣隙磁密帶，分布正好相對，即外氣隙帶出現(xiàn)磁密正的最大幅值時，內(nèi)氣隙帶則出現(xiàn)零磁密，反之亦然。 1.2 橫向磁通永磁電機橫向磁通永磁電機 15kW橫向磁通永磁電機照片 功率因數(shù)為0.8，轉矩密度為傳統(tǒng)電機的2.5倍左右。 橫向磁通永磁電機實驗中 1.2 橫向磁通永磁電機橫向磁通永磁電機 傳統(tǒng)電機的磁場是由電流產(chǎn)生的，為了減少磁路的磁阻，都選用高磁導率的硅鋼片疊壓制成

8、定、轉子鐵心，導致體積大、重量大(鐵心重占總重的60%左右)、損耗大(鐵心損耗占總損耗的20%30%)、振動噪聲大(鐵心有齒有槽是產(chǎn)生電磁噪聲的根源)，難以滿足高性能調(diào)速系統(tǒng)的要求。 1.3 無鐵心永磁電機無鐵心永磁電機 利用釹鐵硼永磁高矯頑力（約900kA/m）的優(yōu)異特性而不用或少用硅鋼片，制成無鐵心永磁電機，則電機的重量可以大幅度下降、效率提高、振動噪聲顯著降低，同時具有更低的轉動慣量、更快的響應速度、更寬的調(diào)速范圍、更長的使用壽命。1.3 無鐵心永磁電機無鐵心永磁電機 無鐵心電機的三維磁場是開域的，分析計算的關鍵技術之一是如何確定三維開域場的邊界條件和對計算結果的有效處理。無鐵心永磁電機

9、氣隙表面磁密的矢量分布 無鐵心電機磁密矢量分布圖 從圖中可以看出,沿圓周方向,磁場呈周期性分布,在電機的端部有一個很大的軸向分量磁密。 1.3 無鐵心永磁電機無鐵心永磁電機 已制成的2.2kW 8極無鐵心永磁電機的實物照片，其效率90，功率密度比傳統(tǒng)電機提高1倍以上，噪聲57dB。 電機定子、轉子實物照片 1.3 無鐵心永磁電機無鐵心永磁電機 無鐵心電機與同規(guī)格無鐵心電機與同規(guī)格Y2系列感應電動機的對比分析系列感應電動機的對比分析 電機型號Y2-132S-8 TYB2200-750 比較結果中心高132112額定功率/W22002200效 率/78.089.8提高11.8功率因數(shù)0.710.9

10、5提高0.24功率密度/Wkg133.8568.75提高103噪聲/dB(A)7157降低14dB（A）1.3 無鐵心永磁電機無鐵心永磁電機 該類電機在數(shù)控機床、機器人、電動車、電梯、家用電器等要求較高的控制場合具有廣闊的應用前景。 2 永永 磁磁 發(fā)發(fā) 電電 機機 永 磁 發(fā) 電 機 直驅(qū)低速永磁風力發(fā)電機直驅(qū)低速永磁風力發(fā)電機 半直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機半直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機 混合勵磁發(fā)電機混合勵磁發(fā)電機 2.1 直驅(qū)低速永磁風力發(fā)電機直驅(qū)低速永磁風力發(fā)電機 當前，兆瓦級風力發(fā)電機在風電場中占主導地位，而直驅(qū)永磁風力發(fā)電機組的應用越來越廣泛，它省去了增速齒輪箱省去了增速齒輪箱，大大大大提高了可

11、靠性和效率提高了可靠性和效率，提高了單位提高了單位kW的的發(fā)電量發(fā)電量。國內(nèi)已成功開發(fā)出13MW的直驅(qū)永磁風力發(fā)電機，每分鐘只有十幾轉。 單支撐結構的直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機結構圖 2.1 直驅(qū)低速永磁風力發(fā)電機直驅(qū)低速永磁風力發(fā)電機 2.1 直驅(qū)低速永磁風力發(fā)電機直驅(qū)低速永磁風力發(fā)電機 由于電機結構及受力情況比較復雜，采用傳統(tǒng)的計算已經(jīng)不能滿足要求，故需采用有限元軟件對電機進行強度和剛度分析計算。 計算時對模型接觸進行一定簡化，對模型施加相應載荷及約束進行強度分析，可得到不同構件的位移場分布矢量圖及重力方向位移云圖。2.1 直驅(qū)低速永磁風力發(fā)電機直驅(qū)低速永磁風力發(fā)電機 轉子支架位移場分布矢量圖及

12、重力方向位移云圖錐形支撐位移場分布矢量圖及重力方向位移云圖2.2 半直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機半直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機 由于在同樣功率時，電機的重量與其轉速成反比，MW級的直驅(qū)永磁風力發(fā)電機重幾十噸，甚至一百多噸，運輸和吊裝都比較困難。發(fā)電機的吊裝圖每臺電機用釹鐵硼永磁1噸多。因此又出現(xiàn)了經(jīng)一級齒輪增速的半直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機，150200rpm，重量可以成倍減小。半直驅(qū)永磁風力發(fā)電機半直驅(qū)永磁風力發(fā)電機 2.2 半直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機半直驅(qū)式永磁風力發(fā)電機 2.3 混合勵磁發(fā)電機混合勵磁發(fā)電機在發(fā)電機運行中為了保持電壓不變，需要進行磁場調(diào)節(jié)。對于永磁發(fā)電機來說，轉速的變化或負載電流的變化會造成輸出電

13、壓的變動，但由于永磁電機的氣隙磁場是由永磁體和磁路磁導決定的，調(diào)節(jié)氣隙磁場困難而導致電壓調(diào)節(jié)困難。 綜合電勵磁及永磁體勵磁兩種電機優(yōu)點 混合勵磁同步發(fā)電機 可以根據(jù)電壓的變化通過改變電勵磁電流的大小和方向來調(diào)節(jié)磁場，進而調(diào)節(jié)電壓 實現(xiàn)了無刷化，免維護輔助電勵磁部分的損耗小，保留了永磁發(fā)電機的高效率特點 2.3 混合勵磁發(fā)電機混合勵磁發(fā)電機混合勵磁發(fā)電機的一種典型結構混合勵磁發(fā)電機的一種典型結構 2.3 混合勵磁發(fā)電機混合勵磁發(fā)電機以一臺功率為7.5kW、4極混合勵磁發(fā)電機為例 樣機的定子和轉子2.3 混合勵磁發(fā)電機混合勵磁發(fā)電機該電機具有以下特點： （1）不加電勵磁時，發(fā)電機的固有電壓調(diào)整率為

14、10.72%；加電勵磁時，發(fā)電機的電壓調(diào)整率僅在1%的范圍內(nèi) (3) 效率高，在額定負載時，效率達91.26% (4) 空載線電壓波形畸變率小，僅為1.98% (2) 調(diào)節(jié)特性基本呈直線分布，調(diào)節(jié)特性好 2.3 混合勵磁發(fā)電機混合勵磁發(fā)電機3交流永磁伺服電動機交流永磁伺服電動機 高性能永磁交流伺服電動機的優(yōu)點有動態(tài)響應速度快低速平穩(wěn)性好 效率高、功率因數(shù)高轉動慣量小它廣泛用于機床、機器人、電動車、電梯、家用電器等場合。 3.1 轉矩脈動仿真及抑制轉矩脈動仿真及抑制 近年來永磁交流伺服電機采用槽數(shù)與極數(shù)接近的分數(shù)槽繞組越來越多，通過三維電磁場分析可得，由于采用槽數(shù)與極數(shù)相近的分數(shù)槽繞組，在電機的

15、漏磁通中存在著齒頂漏磁通。 齒頂漏磁示意圖 永磁體產(chǎn)生的磁通通過氣隙進入定子后，有一部分經(jīng)過定子齒后又返回轉子，并未匝鏈定子繞組，這部分磁通稱為齒頂漏磁通。當極數(shù)和槽數(shù)相近時，齒頂漏磁通占整個漏磁通的比例很大，有的高達50.4%，需要進行詳細分析計算。 3.1 轉矩脈動仿真及抑制轉矩脈動仿真及抑制 不同極槽配合的分數(shù)槽繞組產(chǎn)生的諧波次數(shù)及大小都是不同的，由此產(chǎn)生脈動轉矩的大小不盡相同，采用有限元分析軟件進行場路耦合仿真。 8極9槽轉矩脈動曲線 不同極槽配合下的轉矩波動 極槽數(shù)8-98-368-48轉矩波動9.4%13.2%17.6%3.1 轉矩脈動仿真及抑制轉矩脈動仿真及抑制 對齒槽轉矩需采取

16、多種措施加以抑制，如：3.1 轉矩脈動仿真及抑制轉矩脈動仿真及抑制 這些使三維磁場的計算更為復雜。優(yōu)化磁極形狀將定子槽斜槽或永磁體斜極增設輔助槽優(yōu)化極弧因數(shù)措施之一是斜極 在徑向磁通電機中斜極的永磁體機構 在軸向磁通電機中的斜極結構 3.1 轉矩脈動仿真及抑制轉矩脈動仿真及抑制 3.2三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機的振動噪聲的振動噪聲 高性能伺服系統(tǒng)要求電機的振動噪聲很低，需要采取振動噪聲抑制技術，為此需要進行三維瞬態(tài)磁場-聲場額耦合分析計算。聲場分析是流體結構相互作用的耦合場計算，是瞬態(tài)的聲學分析。流體和結構在網(wǎng)格界面處的相互作用引起聲壓施加給結構一個強迫力，并且結

17、構運動產(chǎn)生一個有效的“流體載荷”。 流固耦合邊界標志 3.2三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機的振動噪聲的振動噪聲 a）定子四階模態(tài) b） 整機七階模態(tài) 模 態(tài) 樣機計算值/dB(A)實驗值/dB(A)誤差(%)162.860.763.4276.272.515.1382.982.01.1有限元計算噪聲與實驗結果對比 3.2三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機的振動噪聲的振動噪聲 節(jié)點壓力云圖 節(jié)點位移云圖3.2三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機的振動噪聲的振動噪聲 有限元計算振動速度與實驗結果對比樣機計算值/ mms-1實驗值/

18、mms-1誤差(%)11.511.531.320.9921.022.7針對8極9槽、8極36槽和8極48槽三臺徑向結構永磁同步電動機對它們的噪聲大小進行分析計算。選取了8極9槽、8極36槽和8極48槽三臺徑向結構永磁同步電動機對它們的噪聲大小進行分析計算。 不同極槽配合電磁噪聲的計算 極槽配合計算值dB（A） 實測值dB（A）誤差(%)8極9槽71.44702.068極36槽55.7659.66.448極48槽54.1450.76.793.2三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機的振動噪聲的振動噪聲 在由脈寬調(diào)制（PWM）控制的永磁交流電動機組成的系統(tǒng)中，電流開關頻率和時間諧

19、波的影響更為顯著。電動機的噪聲與振動主要取決于以下幾個因素：（1）極數(shù)和槽數(shù)的配合；（2）工作頻率；（3）逆變器的開關（載波）頻率；（4）機械固有頻率和系統(tǒng)的模態(tài)。3.2三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機的振動噪聲的振動噪聲 空載聲壓級隨開關頻率和基波頻率變化 從開關頻率的變化規(guī)律可見，開關頻率越高，噪聲越低。 3.2三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機三維瞬態(tài)磁場聲場耦合分析電機的振動噪聲的振動噪聲 3.3 高精度高速交流永磁伺服電動機高精度高速交流永磁伺服電動機 右圖顯示開發(fā)的機床用交流伺服電動機 機床用交流伺服電動機 交流伺服電機使用中3.3 高精度高速交流永磁伺服電動機高

20、精度高速交流永磁伺服電動機 機床用交流伺服電機主要性能指標 性能指標堵轉轉矩 6Nm12Nm22Nm效率/%84.590.989.1功率因數(shù)0.940.970.98轉動慣量/(kgm)0.00250.00840.0125振動/(mms-1)1.21.82.5噪聲/dB（A）64.259.974.03.3 高精度高速交流永磁伺服電動機高精度高速交流永磁伺服電動機 3.4 直驅(qū)低速交流永磁伺服電動機直驅(qū)低速交流永磁伺服電動機 開發(fā)的無齒輪曳引電梯用永磁同步電機具有以下幾個優(yōu)點：1、結構簡單，不需要減速箱，工藝更加簡單，同時減小體積和重量，提高有效空間的利用率。 2、振動小噪聲低，特別是在低速運行區(qū)

21、域，優(yōu)勢更加明顯，運行穩(wěn)定，調(diào)速精度高。傳統(tǒng)的有齒輪曳引電梯的噪聲大部分來自于齒輪箱產(chǎn)生的機械振動和高速旋轉的電動機本身的振動和噪聲。 3、由于實現(xiàn)了無齒輪調(diào)速，省去了齒輪上的損耗，提高了效率。同時采用永磁體勵磁后，不需要勵磁電流，沒有勵磁損耗，也可使效率提高。 4、可布置出各種曳引方式的無機房電梯，即使在有機房和小機房布置時也顯示出較高的自由度和靈活度。 5、安全、可靠、舒適度好。 原有齒輪傳動的曳引機，雖然電機的效率高達94%，但因齒輪箱的存在，綜合效率僅為65左右，且振動噪聲很大，維護也較困難?，F(xiàn)采用無齒輪曳引后，效率可提高近25個百分點，有功節(jié)電率可達28.9。 3.4 直驅(qū)低速交流永

22、磁伺服電動機直驅(qū)低速交流永磁伺服電動機 電梯電機實物照片 曳引機用交流伺服電機結構圖3.4 直驅(qū)低速交流永磁伺服電動機直驅(qū)低速交流永磁伺服電動機 電機磁密分布圖 3.4 直驅(qū)低速交流永磁伺服電動機直驅(qū)低速交流永磁伺服電動機 電機的磁力線分布圖 3.4 直驅(qū)低速交流永磁伺服電動機直驅(qū)低速交流永磁伺服電動機 4 超超高效異步起動超超高效異步起動永磁電動機永磁電動機 據(jù)國際能源機構（IEA）2006年7月的工作報告，通過改善電動機效率結合變頻調(diào)速可以節(jié)約大約7的電能，其中大致有1/41/3是靠提高電動機效率來獲得的，其余部分則來自系統(tǒng)的改進。目前，美、歐、日、澳大利亞、巴西等國都紛紛制訂電動機效率限

23、值，并強制執(zhí)行。 為協(xié)調(diào)各國能效分級標準，2006年IEC制定一項新的能效標準IEC60034-30。該標準將一般用途電動機效率水平分為IE1、IE2、IE3和IE4四級。 nIE1為標準效率，相當于我國目前生產(chǎn)的普通系列感應電動機的效率水平 ；nIE2為高效率，比普通電機的效率平均提高2.75個百分點，損耗平均下降20左右 ；nIE3為超高效率，即效率再提高1.52個百分點，損耗平均再降低15左右 ；nIE4為超超高效率，損耗預計再下降20左右，需要進行全新的電機設計，建立新的體系結構（新的電機極數(shù)、速度范圍），采用更高性能的材料 。總結我國研發(fā)生產(chǎn)高效永磁電動機的經(jīng)驗可以得出： 永磁電動機

24、容易做到高效率，即達到IE2級的效率值。 進一步優(yōu)化設計，采用高性能硅鋼片和先進工藝，進一步優(yōu)化設計，采用高性能硅鋼片和先進工藝，在降低一個機座號或者縮短鐵心的情況下，可以在降低一個機座號或者縮短鐵心的情況下，可以達到超高效，即達到超高效，即IE3級的效率值。級的效率值。 在不降低機座號或適當增加鐵心的情況下，部分規(guī)格可能達到超超高效，即IE4級的效率值。 需要說明的是，這些產(chǎn)品是在IEC60034-30頒布之前研發(fā)生產(chǎn)的，與IE3和IE4的效率值稍有出入，只要調(diào)整設計和優(yōu)化，就可以達到所規(guī)定的標準。 4.1 三維場路耦合分析起動過程三維場路耦合分析起動過程 異步起動永磁同步電動機在起動方面較

25、感應電機和電勵磁同步電機的異步起動過程更為復雜。采用有限元分析軟件進行場路耦合仿真。 起動過程轉速曲線 起動過程中T-n曲線 4.1 三維場路耦合分析起動過程三維場路耦合分析起動過程 4.2 化纖紡織用超超高效高牽入轉矩永磁同步電動機化纖紡織用超超高效高牽入轉矩永磁同步電動機 在相同負載情況下，化纖紡織用電機尺寸一般比普通電機大12個功率等級，使得電機在運行時存在“大馬拉小車”現(xiàn)象，電能浪費嚴重。 國內(nèi)經(jīng)過多年研究，所開發(fā)的7.5kW 4極、15kW 4極電機在體積不增大的情況下能夠達到超高效甚至超超高效性能指標。 15kW高效高牽入轉矩永磁同步電動機在現(xiàn)場運行 與普通感應電動機比綜合節(jié)電率23左右，節(jié)電效果非常明顯。 4.2 化纖紡織用超超高效高牽入轉矩永磁同步電動機化纖紡織用超超高效高牽入轉矩永磁同步電動機 超超高效高牽入同步永磁同步電動機與IE4標準對比 電機規(guī)格電機規(guī)格電機類型電機類型效率