摘要：針對永磁型調速電機在高速運行時，轉子渦流損耗導致永磁體發(fā)熱嚴重，導致永磁體存在不可逆退磁的難題。在分析永磁型調速電機轉矩和徑向力產生機理的基礎上，研究了徑向力、轉矩繞組磁場和懸浮繞組磁場的相對運動關系，給出了永磁型調速電機單一方向穩(wěn)定可控徑向力的產生條件，采用2D耦合電路瞬態(tài)有限元法，計算了轉子空載渦流損耗，比較了永磁型調速電機極對數(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動負載。無需傳動機構，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域具有廣闊的應用前景，并逐漸成為電工領域的研究熱點。高速電機轉子通常采用氣浮、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、漏液等技術難題，同時高速旋轉時軸承發(fā)熱嚴重，限制了電機轉速的進一步提升。采用磁懸浮軸承支承結構的高速電機能夠實現(xiàn)轉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，所以該結構的高速電機體積龐大，軸向長度較長，轉子臨界轉速低，系統(tǒng)復雜度和成本較高，難以體現(xiàn)高速電機的優(yōu)良特性，因此工業(yè)應用價值較低。調速電機是將產生徑向力的懸浮繞組和電機傳統(tǒng)轉矩繞組一起疊壓到電機定子槽中，轉子由極對數(shù)不同的轉矩繞組磁場和附加懸浮繞組磁場相互作用產生的電磁力支承。

由調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，結構更簡單，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，調速電機系統(tǒng)能夠實現(xiàn)更高轉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。永磁電機轉矩繞組磁場與轉子運行，轉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生口。但在永磁型調速電機中，嵌人到定子槽中的附加懸浮繞組產生的懸浮繞組磁場與轉子異步運行，所以永磁型調速電機的轉子渦流損耗除永磁電機的轉子渦流損耗外，還要加上由異步運行懸浮繞組磁場產生的轉子渦流損耗。因此，當轉速和功率相同時，轉子渦流損耗遠大于永磁電機，對轉子永磁體性能影響極大，所以對轉子渦流損耗的研究意義重大，但國內外學者對轉子渦流損耗的研究還未見報道。本文研究了徑向力、轉矩繞組磁場和懸浮繞組磁場的相對運動關系，給出了永磁型調速電機單一方向穩(wěn)定可控徑向力產生條件，基于轉子渦流損耗分析對永磁型調速電機極對數(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轉矩與懸浮力產生機理永磁型調速電機磁場由P。極對數(shù)的懸浮繞組磁場、PM極對數(shù)的轉矩繞組磁場和轉子永磁磁場疊加而成。轉矩產生機理與永磁電機相同，由轉子永磁磁場和轉矩繞組磁場相互作用產生，對于表面貼式永磁型調速電機，等效氣隙較大，與轉子永磁磁場相比，轉矩繞組磁場幅值很小。因此，轉矩繞組磁場對徑向力的影響可以忽略不計，徑向力主要由轉子永磁磁場和懸浮繞組磁場相互作用產生，當電機定子兩套繞組極對數(shù)滿足關系時，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)麥克斯韋力產生原理，轉子受到徑向力的作用，該力的方向指向磁場增強方向，給出在某一靜止狀態(tài)下，轉子受到的徑向力，轉子永磁磁場和懸浮繞組磁場在方向磁場極性相同，疊加結果使得磁場增強，在方向磁場極性相反，疊加結果使得磁場減弱，此時，轉子受到指向+y方向的徑向合力的作用。

2磁場相對運動永磁型調速電機在高速運轉時，永磁磁場、懸浮繞組磁場和轉矩繞組磁場始終處于高速旋轉狀態(tài)。要實現(xiàn)轉子穩(wěn)定懸浮，必須確保在任意轉速和轉子位置下，永磁型調速電機在轉子上能夠產生大小和方向可控的徑向力?？梢钥闯?，在磁場旋轉過程中，要產生穩(wěn)定的單一方向徑向力，轉子磁場機械角速度和懸浮繞組磁場機械角速度。同時考慮轉矩繞組磁場與轉子，轉矩繞組磁場旋轉機械角速度，即定子兩套繞組磁場旋轉電角速度必須相同，定子繞組磁場均由定子三相對稱繞在永磁電機中，定子繞組磁場與轉子，轉子渦流損耗主要由各次諧波產生，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。而在永磁型調速電機中，除了各次諧波在轉子中產生渦流損耗外，與轉子異步運行的懸浮繞組磁場在轉子中也產生渦流損耗，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速電機轉子渦流損耗的主要來源，其轉子渦流損耗比相同轉速和功率的永磁電機大得多，轉子發(fā)熱嚴重，同時，釹鐵硼永磁材料居里溫度低，電導率低，永磁體易發(fā)熱和退磁。

3徑向力數(shù)學模型單一方向穩(wěn)定徑向力必須通過調節(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，轉子上的徑向力指向+z方向進行設計兩個變量都與懸浮繞組電流有關，所以通過調節(jié)懸浮繞組電流的大小和初相位，就可以產生大小和方向可控的徑向力，從而實現(xiàn)永磁型調速電機轉子的穩(wěn)定懸浮。

4轉子渦流損耗計算永磁型調速電機樣機的主要參數(shù)為：定子外徑120 mm，定子內徑67 into，定子槽數(shù)24和36；轉矩繞組每槽匝數(shù)35，懸浮繞組匝數(shù)30，轉子鐵心外徑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)分析法計算轉子渦流損耗，轉子設定旋轉機械角速度為12 000 r／min，計算時間為0～0．4 S，時間步長為0．002 S，對轉子區(qū)域定義渦流損耗求解參數(shù)，對轉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，轉子永磁體采用磁化模式，將外部電路的電流幅值設定為OA時，求解出的轉子渦流損耗即為由定子齒槽效應引起的損耗，此時的損耗密度分布。

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

1)要實現(xiàn)永磁型調速電機轉子穩(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)在永磁型調速電機中，轉子渦流損耗主要由異步運行懸浮繞組磁場產生，由齒槽諧波引起的轉子渦流損耗非常小，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，經過比較分析，永磁型調速電機應采用PM=P。