分析 | 磁鋼的渦流損耗對永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子溫升影響

引言

稀土永磁同步電動機(jī)(REPMSM)具有體積小、重量輕、效率高等特點(diǎn)，理論上轉(zhuǎn)子無基波損耗，轉(zhuǎn)子溫升應(yīng)該較低，但實(shí)際情況則不然。以作者研制的一臺增安型稀土永磁同步電機(jī)為例，試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)轉(zhuǎn)子溫升高達(dá)1 25°C的現(xiàn)象。轉(zhuǎn)子溫度過高，會對釹鐵硼永磁體造成去磁的危險(xiǎn)，影響電機(jī)正常工作。本文分析了可能導(dǎo)致轉(zhuǎn)子溫升過大的原因，提出了降低溫升的措施。

1、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)

REPMSM的定子取異步電機(jī)的定子，它的結(jié)構(gòu)一般指轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。異步起動REPMSM的轉(zhuǎn)子由鼠籠條、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體組成，轉(zhuǎn)子鐵心由沖片疊壓而成，并在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)填入釹鐵硼永磁體，同時(shí)鑄鋁形成鼠籠，如圖1所示。其起動過程同異步電機(jī)，當(dāng)定子電樞繞組中通人三相對稱交流電時(shí)，形成圓形旋轉(zhuǎn)磁場，此時(shí)轉(zhuǎn)子靜止，轉(zhuǎn)子鼠籠切割磁力線，并感應(yīng)出交流電形成交變磁場，與定子磁場作用，轉(zhuǎn)子開始轉(zhuǎn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時(shí)，鼠籠條中不再產(chǎn)生感應(yīng)電流，而是永磁體形成的恒定磁場與定子磁場同步旋轉(zhuǎn)，進(jìn)入正常運(yùn)行。

圖1 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖

2 轉(zhuǎn)子溫升產(chǎn)生原因

電機(jī)運(yùn)行時(shí)的發(fā)熱，均來自于電機(jī)的損耗。REPMSM同步運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子損耗包括永磁體損耗和諧波損耗等。

2.1永磁體損耗 ：釹鐵硼的電阻率是(1．44×l0ˉ)Ω·m，具有一定的導(dǎo)電性，會在交變磁場中產(chǎn)生渦流損耗。釹鐵硼的導(dǎo)熱率為7.7cal／m．h．°C，傳熱性差。釹鐵硼磁鐵容易生銹、氧化，使熱量難以向外傳導(dǎo)，加劇了轉(zhuǎn)子的溫升。

2.2諧波損耗：受齒槽效應(yīng)、定子磁場等因素影響，電機(jī)氣隙中的諧波磁場很復(fù)雜。氣隙中的諧波磁場以不同的速度相對于轉(zhuǎn)子運(yùn)動，在轉(zhuǎn)子鐵心和鼠籠條中感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生諧波損耗，使轉(zhuǎn)子溫度升高。

3 降低溫升的措施

由上述分析，提出相應(yīng)解決方法如下。

3.1)永磁體分段、分層：永磁體的放置不再是整段材料，而是將一段永磁體分為多個(gè)小段或多個(gè)層，如圖2。并且對永磁體段(層)表面進(jìn)行電泳處理，以減小渦流損耗，降低轉(zhuǎn)子溫升。

3.2)增大氣隙：對于異步電機(jī)，增大氣隙會增大漏磁，使勵(lì)磁電流增大，效率降低。而對于稀土永磁同步電機(jī)，加大氣隙，則可增大高次諧波氣隙磁場磁阻和諧波漏抗，減少其磁鏈的交鏈程度，削弱諧波電流，降低定、轉(zhuǎn)子表面損耗和諧波損耗等，從而起到降低溫升的作用。

3.3)轉(zhuǎn)子采用半閉El槽或閉口槽：這樣可以減少轉(zhuǎn)子鐵心表面損耗和齒內(nèi)脈振損耗，并使有效氣隙長度減小，改善功率因數(shù)，同時(shí)降低氣隙磁導(dǎo)諧波的脈振幅值，減小磁導(dǎo)諧波引起的諧波損耗。

3.4)選取適當(dāng)?shù)牟叟浜希褐C波次數(shù)越低，轉(zhuǎn)子槽數(shù)越多，損耗就越大；定、轉(zhuǎn)子槽數(shù)比接近于1時(shí)，損耗最小，因此盡可能選取近槽配合。

3.5)定子繞組雙層短距分布繞組：雙層短距分布繞組根據(jù)需要選擇不同的跨距，可以減少高次諧波，又使基波電動勢減少不大，從而有效改善了氣隙磁場的波形，減少諧波損耗，降低溫升。

3.6)選用高質(zhì)量釹鐵硼永磁體：在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，不同廠家生產(chǎn)的同牌號釹鐵硼永磁體性能有較大差異。釹鐵硼牌號不同，產(chǎn)生的渦流損耗大小不同，并且導(dǎo)熱率也有所差異。選擇導(dǎo)熱率相對較大的高性能釹鐵硼永磁材料，有利于磁鋼上熱量的傳導(dǎo)，從而降低轉(zhuǎn)子溫升。

4?樣機(jī)轉(zhuǎn)子溫升的改善措施及效果

由上述分析，更換樣機(jī)所用的釹鐵硼永磁鐵牌號，由以前的40SH換為33UH，重新進(jìn)行溫升試驗(yàn)，結(jié)果是定子鐵心溫度為80℃，溫升為51℃，轉(zhuǎn)子鐵心溫度為140℃，溫升為110℃。更換永磁體后轉(zhuǎn)子鐵心溫升下降了10℃，可見永磁體渦流損耗對轉(zhuǎn)子溫升影響很大。

5 結(jié)語

本文探討了稀土永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子溫升過高的原因，并分析提出了降低轉(zhuǎn)子溫升的方法。在對原樣機(jī)更換永磁體牌號后進(jìn)行試驗(yàn)，表明永磁體的渦流損耗對轉(zhuǎn)子溫度影響很大。因此，若在電機(jī)制造過程中能采取永磁體分段或分層等措施，轉(zhuǎn)子溫升會有所下降.

來源 | 網(wǎng)絡(luò)