摘要：針對永磁型調(diào)速電機在高速運行時，轉(zhuǎn)子渦流損耗導(dǎo)致永磁體發(fā)熱嚴(yán)重，導(dǎo)致永磁體存在不可逆退磁的難題。在分析永磁型調(diào)速電機轉(zhuǎn)矩和徑向力產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上，研究了徑向力、轉(zhuǎn)矩繞組磁場和懸浮繞組磁場的相對運動關(guān)系，給出了永磁型調(diào)速電機單一方向穩(wěn)定可控徑向力的產(chǎn)生條件，采用2D耦合電路瞬態(tài)有限元法，計算了轉(zhuǎn)子空載渦流損耗，比較了永磁型調(diào)速電機極對數(shù)為P。

0引 言

高速電機功率密度高，相同體積下可以大幅度提高電機輸出功率。采用高速電機直接驅(qū)動負(fù)載。無需傳動機構(gòu)，可以節(jié)約材料，減小系統(tǒng)體積，大幅度降低運行噪聲和實現(xiàn)零傳動損耗運行，效率高，在航空航天、新能源和精密制造等特殊領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，并逐漸成為電工領(lǐng)域的研究熱點。高速電機轉(zhuǎn)子通常采用氣浮、液浮軸承支承，由于存在摩擦和需要專門設(shè)備，使得由上述軸承支承的電機體積龐大，還存在漏氣、漏液等技術(shù)難題，同時高速旋轉(zhuǎn)時軸承發(fā)熱嚴(yán)重，限制了電機轉(zhuǎn)速的進一步提升。采用磁懸浮軸承支承結(jié)構(gòu)的高速電機能夠?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)子在五自由度上無摩擦、無潤滑和免維護運行，但是由于采用多個磁軸承單元，所以該結(jié)構(gòu)的高速電機體積龐大，軸向長度較長，轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速低，系統(tǒng)復(fù)雜度和成本較高，難以體現(xiàn)高速電機的優(yōu)良特性，因此工業(yè)應(yīng)用價值較低。調(diào)速電機是將產(chǎn)生徑向力的懸浮繞組和電機傳統(tǒng)轉(zhuǎn)矩繞組一起疊壓到電機定子槽中，轉(zhuǎn)子由極對數(shù)不同的轉(zhuǎn)矩繞組磁場和附加懸浮繞組磁場相互作用產(chǎn)生的電磁力支承。

由調(diào)速電機和三自由度磁軸承組成的高速電機系統(tǒng)與磁軸承支承的高速電機相比，結(jié)構(gòu)更簡單，體積更小，相同輸出功率下的軸向長度較短；而在相同軸向長度時，調(diào)速電機系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)更高轉(zhuǎn)速和更大功率運行舊。永磁電機具有高功率密度、{gx}率、無需勵磁和控制簡單等優(yōu)點，特別適合于高速運行。永磁電機轉(zhuǎn)矩繞組磁場與轉(zhuǎn)子運行，轉(zhuǎn)子渦流損耗主要由定子齒槽諧波、電流諧波和繞組反電動勢諧波產(chǎn)生口。但在永磁型調(diào)速電機中，嵌人到定子槽中的附加懸浮繞組產(chǎn)生的懸浮繞組磁場與轉(zhuǎn)子異步運行，所以永磁型調(diào)速電機的轉(zhuǎn)子渦流損耗除永磁電機的轉(zhuǎn)子渦流損耗外，還要加上由異步運行懸浮繞組磁場產(chǎn)生的轉(zhuǎn)子渦流損耗。因此，當(dāng)轉(zhuǎn)速和功率相同時，轉(zhuǎn)子渦流損耗遠(yuǎn)大于永磁電機，對轉(zhuǎn)子永磁體性能影響極大，所以對轉(zhuǎn)子渦流損耗的研究意義重大，但國內(nèi)外學(xué)者對轉(zhuǎn)子渦流損耗的研究還未見報道。本文研究了徑向力、轉(zhuǎn)矩繞組磁場和懸浮繞組磁場的相對運動關(guān)系，給出了永磁型調(diào)速電機單一方向穩(wěn)定可控徑向力產(chǎn)生條件，基于轉(zhuǎn)子渦流損耗分析對永磁型調(diào)速電機極對數(shù)進行優(yōu)化，并采用2D耦合電路瞬態(tài)有限元法，分析比較了永磁型

1轉(zhuǎn)矩與懸浮力產(chǎn)生機理永磁型調(diào)速電機磁場由P。極對數(shù)的懸浮繞組磁場、PM極對數(shù)的轉(zhuǎn)矩繞組磁場和轉(zhuǎn)子永磁磁場疊加而成。轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生機理與永磁電機相同，由轉(zhuǎn)子永磁磁場和轉(zhuǎn)矩繞組磁場相互作用產(chǎn)生，對于表面貼式永磁型調(diào)速電機，等效氣隙較大，與轉(zhuǎn)子永磁磁場相比，轉(zhuǎn)矩繞組磁場幅值很小。因此，轉(zhuǎn)矩繞組磁場對徑向力的影響可以忽略不計，徑向力主要由轉(zhuǎn)子永磁磁場和懸浮繞組磁場相互作用產(chǎn)生，當(dāng)電機定子兩套繞組極對數(shù)滿足關(guān)系時，兩組磁場相互疊加，在某個方向上磁場增強，在相反方向磁場減弱，根據(jù)麥克斯韋力產(chǎn)生原理，轉(zhuǎn)子受到徑向力的作用，該力的方向指向磁場增強方向，給出在某一靜止?fàn)顟B(tài)下，轉(zhuǎn)子受到的徑向力，轉(zhuǎn)子永磁磁場和懸浮繞組磁場在方向磁場極性相同，疊加結(jié)果使得磁場增強，在方向磁場極性相反，疊加結(jié)果使得磁場減弱，此時，轉(zhuǎn)子受到指向+y方向的徑向合力的作用。

2磁場相對運動永磁型調(diào)速電機在高速運轉(zhuǎn)時，永磁磁場、懸浮繞組磁場和轉(zhuǎn)矩繞組磁場始終處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。要實現(xiàn)轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，必須確保在任意轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置下，永磁型調(diào)速電機在轉(zhuǎn)子上能夠產(chǎn)生大小和方向可控的徑向力。可以看出，在磁場旋轉(zhuǎn)過程中，要產(chǎn)生穩(wěn)定的單一方向徑向力，轉(zhuǎn)子磁場機械角速度和懸浮繞組磁場機械角速度。同時考慮轉(zhuǎn)矩繞組磁場與轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)矩繞組磁場旋轉(zhuǎn)機械角速度，即定子兩套繞組磁場旋轉(zhuǎn)電角速度必須相同，定子繞組磁場均由定子三相對稱繞在永磁電機中，定子繞組磁場與轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子渦流損耗主要由各次諧波產(chǎn)生，與定子鐵耗和繞組銅耗相比非常小，對電機性能的影響可以忽略。而在永磁型調(diào)速電機中，除了各次諧波在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生渦流損耗外，與轉(zhuǎn)子異步運行的懸浮繞組磁場在轉(zhuǎn)子中也產(chǎn)生渦流損耗，各次諧波幅值與懸浮繞組磁場幅值相比很小，所以懸浮繞組磁場是永磁型調(diào)速電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的主要來源，其轉(zhuǎn)子渦流損耗比相同轉(zhuǎn)速和功率的永磁電機大得多，轉(zhuǎn)子發(fā)熱嚴(yán)重，同時，釹鐵硼永磁材料居里溫度低，電導(dǎo)率低，永磁體易發(fā)熱和退磁。

3徑向力數(shù)學(xué)模型單一方向穩(wěn)定徑向力必須通過調(diào)節(jié)兩組定子繞組電流大小和相位進行控制。為了便于控制，繞組排列按照兩套繞組中通入初始相位為零的電流時，轉(zhuǎn)子上的徑向力指向+z方向進行設(shè)計兩個變量都與懸浮繞組電流有關(guān)，所以通過調(diào)節(jié)懸浮繞組電流的大小和初相位，就可以產(chǎn)生大小和方向可控的徑向力，從而實現(xiàn)永磁型調(diào)速電機轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定懸浮。

4轉(zhuǎn)子渦流損耗計算永磁型調(diào)速電機樣機的主要參數(shù)為：定子外徑120 mm，定子內(nèi)徑67 into，定子槽數(shù)24和36；轉(zhuǎn)矩繞組每槽匝數(shù)35，懸浮繞組匝數(shù)30，轉(zhuǎn)子鐵心外徑59 mm，永磁體厚度為2 mm，護套厚度為1 mm，鐵心長度80 mm，額定轉(zhuǎn)速為12000r／min。根據(jù)樣機參數(shù)建立2D有限元分析模型，采用耦合外部電路瞬態(tài)分析法計算轉(zhuǎn)子渦流損耗，轉(zhuǎn)子設(shè)定旋轉(zhuǎn)機械角速度為12 000 r／min，計算時間為0～0．4 S，時間步長為0．002 S，對轉(zhuǎn)子區(qū)域定義渦流損耗求解參數(shù)，對轉(zhuǎn)子進行渦流損耗求解。

4．1空載損耗分析為了減小氣隙磁場諧波，轉(zhuǎn)子永磁體采用磁化模式，將外部電路的電流幅值設(shè)定為OA時，求解出的轉(zhuǎn)子渦流損耗即為由定子齒槽效應(yīng)引起的損耗，此時的損耗密度分布。

5 結(jié) 論本文在分析永磁型調(diào)速電機穩(wěn)定可控徑向力產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上，建立了徑向力數(shù)學(xué)模型，研究了永磁型調(diào)速電機轉(zhuǎn)子渦流損耗，采用有限元法計算了轉(zhuǎn)子在空載和負(fù)載下的轉(zhuǎn)子渦流損耗，得出結(jié)論如下：

1)要實現(xiàn)永磁型調(diào)速電機轉(zhuǎn)子穩(wěn)定懸浮，定子兩套繞組磁場極對數(shù)需滿足條件：PM=P?！纋，或磁場旋轉(zhuǎn)電角速度相同?；蛘呃@組相序相同，電流頻率相同。

2)在永磁型調(diào)速電機中，轉(zhuǎn)子渦流損耗主要由異步運行懸浮繞組磁場產(chǎn)生，由齒槽諧波引起的轉(zhuǎn)子渦流損耗非常小，可以忽略不計。

3)定子繞組極對數(shù)對轉(zhuǎn)子渦流損耗影響極大，為了避免永磁體由渦流損耗引起的熱退磁，經(jīng)過比較分析，永磁型調(diào)速電機應(yīng)采用PM=P。