一台高速永磁同步电动机的研制

摘 要 高速电机有很多优点,最突出的特点就是高转速、高功率密度、体积相对较小等,并且可以直接与负载相连接,省去了连接装置,降低成本,能够大幅度降低振动噪声,还可以提升电机工作的效率。正是因为以上的特点,使它们可以很好的应用在高速金属切割机、机床电主轴
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  摘 要   
  高速电机有很多优点,最突出的特点就是高转速、高功率密度、体积相对较小等,并且可以直接与负载相连接,省去了连接装置,降低成本,能够大幅度降低振动噪声,还可以提升电机工作的效率。正是因为以上的特点,使它们可以很好的应用在高速金属切割机、机床电主轴电机、一些制冷系统等场合。因此,本文主要研究一台高速永磁同步电动机,它的额定功率为24k W,额定转速为20000r/min。主要分析包括电磁设计、转子强度分析、损耗与温度场计算分析等。主要研究内容如下:
  
  首先,依照高速电机本身的特点对它的定子、转子进行设计分析,其中包括转子结构的选取、定子内外径的选取、转子铁心长度的选择、气隙长度和护套厚度的选择、极槽配合的选择、以及各部件材料的选取等。主要是对该台24k W、20000r/min的高速永磁同步电动机采用有限元的方法进行电磁设计,具体对电机各部件的尺寸进行选取,并且运用Ansoft软件分析它的空载和负载特性,证明电机设计的准确性。

一台高速永磁同步电动机的研制
  
  然后,对该台电机进行转子强度的设计分析。由于高速电机本身高转速的特点,其转子在高速运行时会承受相当大的拉应力,为保证高速电机安全稳定运行,要采用一种护套对永磁体进行保护,同时永磁体和护套之间采用过盈配合的方式,这种护套大多采用碳纤维材料或者不导磁的合金材料,使永磁体在电机运行时不受损坏,并且确保电机的稳定运行。主要在弹性力学理论和有限元接触理论的基础上,对该台电机的转子三维模型进行建立,然后通过ANSYS Workbench对高速永磁电机转子进行有限元仿真,对比了不同静态过盈量、合金护套厚度、材料温度特性等因素对转子强度的影响,同时校核了该模型护套及永磁体的强度,并对高速永磁电机转子机械设计规律进行了总结。并且这种对于转子强度计算方法以及转子结构的设计在样机中得到了应用。
  
  此外,对该电机的定子铁心损耗进行有限元仿真计算;并运用解析法对高速电机的绕组铜耗进行计算;同时对该电机建立三维模型,并采用Ansoft有限元的方法对永磁体以及护套的涡流损耗进行研究。最后,采用机壳水冷的冷却方式对该电机进行冷却处理,并在此情况下采用有限元的方法对该电机的各部件温度进行仿真计算,保证温度值都处在理想范围内。
  
  关键词: 永磁同步电动机,电机设计,损耗与温升,机械强度
     Abstract   
  High-speed motors have many advantages. The most promint features are high speed, high power density and relatively small volume, etc. And it can be directly connected to the load, eliminating the connection device and reducing costs. It can also reduce noise and improve the efficiency of transmission system. It is because of these characteristics, make them be suitable for high-speed metal cutting machines, machine tool spindle motors, some refrigeration systems, etc.Therefore, this paper mainly studies a high-speed permanent magnet synchronous motor with a rated power of 24k W and a rated speed of 20000r/min, the main analysis includes electromagnetic design, rotor strength analysis, loss and temperature field calculation. The main research contents are as follows:
  
  Firstly, according to the characteristics of high-speed motor itself, the design of the stator and rotor is carried out, including the selection of the rotor structure, the selection of the inner and outer diameter of the stator, the selection of the length of the rotor core, the selection of the air gap length and the thickness of the sheath, and the matching of the slot, the choice, as well as the selection of materials for each component. The high-speed permanent magnet motor of 24k W and 20000r/min is analyzed and studied by finite element software. The electromagnetic design of synchronous motor is carried out to determine the size each part of the motor, and the no-load characteristics and load characteristics of the motor are analyzed by finite element method to prove the accuracy of motor design.
  
  Secondly, the design of the rotor strength is analyzed for the motor. Due to the high speed of the high-speed motor itself, the rotor will bear considerable tensile stress during high speed operation. In order to ensure the safe and stable operation of high-speed permanent magnet motor,a kind of sheath should be adopted to protect the permanent magnet, and interference fit between the permanent magnet and the sheath is adopted. Most of the sheaths are made of carbon fibers or non-magnetic alloys, so that the permanent magnet will not be damaged when the motor is running, thus ensuring the stable operation of permanent magnet motor. Based on the theory of elastic mechanics and finite element contact theory, the three-dimensional model of the rotor of the motor is established. Then the finite element analysis of the rotor of high-speed permanent magnet motor is carried out by ANSYS Workbench. The influences of different static interference,thickness of alloy sheath and temperature character on rotor strength are compared. Meanwhile,the strength of the model sheath and permanent magnet are calibrated, and the mechanical design rules of high speed permanent magnet motor rotor are summarized. The calculation method of rotor structure and strength has been applied to the prototype design of high-speed permanent magnet motor.
  
  In addition, the stator core loss of the motor is calculated by finite element method; the stator copper loss of the high-speed motor is calculated by formula method; at the same time, the three-dimensional model of the motor is established. and the eddy current loss of the permanent magnet and sheath of the high-speed motor is calculated by Ansoft finite element software.Finally, the motor is cooled by the water cooling method of the casing, and in this case, the temperature of each part of the motor is simulated by finite element method to ensure that the temperature values are within the ideal range.
  
  Key Words: Permanent magnet synchronous motor, Motor design, Loss and temperature,mechanical strength。
     第 1 章 绪论
  
  1.1 课题研究的目的和意义。

  
  目前,作为世界第二能源生产国和消费国的中国,如今还在不断地增长,已经成为限制我国经济发展的关键要素。在此背景下,我国主要并且长远的目标就是要保护资源避免不必要的浪费。高速永磁同步电动机的转速通常来说非常高,并且效率也比较高的特点,所以高速电机的体积在一定程度上比相同功率的其他电机要小,所以可以很大程度上的节约资源。另外,高速电机以其优异的性能在军用和民用电机领域引起了广泛的关注。因为因为高速电机直接可以连接负载,不需要连接任何有关的装置,可以大幅度的减少连接装置和摩擦噪声,使工作效率得到了提升。正是因为这些优点,使得高速电机能有很大的发展空间:
  
  (1)在生活中,可用于高速金属切割机,机床电主轴电机,雕刻机电机(木工、玉石等),一些制冷系统等场合。
  
  (2)在军事上,一些发电系统是基于高速电机为重要部件而加工完成,能够作为大型船只或者航天飞机的电源,同时使它们的重量减少,提高机动性和弹药装载能力,节约资源。
  
  高速电机由于转速要高于一般电机,导致了频率很高,所以电机在运行时由此产生的损耗会很大,因此可以选择优异的定子铁心材料,利用自身优异的特点降低损耗,使电机稳定良好运行。非晶合金材料的特点之一就是它的矫顽力相比较其它传统材料来说要小,剩磁也相对的低,从而它的磁滞回线的面积也相对较小,因此非晶合金材料的磁滞损耗比较传统硅钢片的磁滞损耗要小很多。此外,非晶合金材料的磁导率要比硅钢片的大很多,所以在很小的励磁电流情况下,就能产生同样的电动势,因此很大程度上减少了电机绕组的铜耗。因此本文设计的电机定子选择非晶合金材料。
  
  非晶合金材料由于其性能优异,工艺简单,逐渐地应用在高速电机中,并且非常合适。当运用在高速电机的时候,它可以有效地使该部件的损耗减少,有利于减少它的温度,有利于减小电机体积、能够提高电机的效率。但因为高速永磁同步电机的开槽问题、电流的谐波问题以及定子磁动势空间谐波等因素,会造成使用非晶合金材料的高速电机产生的转子涡流损耗大于传统的硅钢片材料。这些损耗的增加导致了电机各部分温度的升高。另外,因为转子存在于电机的内部,不容易冷却到,会使转子持续的处在高温环境下并且很难降低,并且严重时会对永磁体造成不可逆的退磁影响,使高速永磁电机不能正常的运行。这些特点决定了高速电机具有不同于常速电机特有的关键技术与设计方法。另外,高速电机在许多方面还存在着关键技术的难点,包括:电磁设计分析,结构设计,机械强度的分析,损耗的计算分析,冷却系统设计,温升计算分析等,正是这些因素的存在导致了高速电机的发展具有局限性。因此,对高速电机的定转子电磁设计方法、转子强度分析、损耗计算、温升的计算等关键问题进行全面的研究是必要的。
  
  1.2 课题的国内外研究现状。
  
  1.2.1 高速电机国内外研究现状。

  
  现如今,由于各种新型材料、控制算法的发现和应用,使得很多新型的电机得以设计研发,并且在生活中或者军事上都需要这些特殊的电机,高速电机便在其中。顾名思义,高速永磁电机的转速非常高,通常能达到每分钟上万转,依据电机主要尺寸的设计原理,当电机的功率一定时,随着转速的增大电机的尺寸在变小,可以很好的达到节约资源的效果。由于高速电机具有效率高,同时高功率密度的优点[1,2],所以高速电机逐渐成为研究的热点。国内外专家学者对此进行了大量的研究。
  
  早在1980年,瑞典斯德哥尔摩皇家学院就开始了研究,并且成功设计出一台高速电机,它的功率是20k W,额定转速是100000r/min[3]。该电机保护永磁体的方法是通过外加护套的方式。
  
  日本的一家名为日立的公司在2010年对一台高速电机进行了研究,最后成功设计出一台,这台电机就是采用的非晶合金材料,它的转速可达到30000r/min。该结构的优点是能够减小非晶合金铁心的加工,同时避免了加工工艺对非晶合金铁心性能的影响[4]。美国的一家公司在2002年就开始对高速电机进行了研究,并成功设计出一台当年尺寸最大的高速电机,它的功率是15MW,并且转速为20000r/min[5]。
  
  在2009年,Bailey设计研发了一台高速电机,它的功率高达8MW,转速为15000r/min,可以安装在压缩机使用。该电机的定子运用非晶合金材料,并且转子结构上应用两种新型的轴承,分别是磁力式和滚动式[6]。
  
  文献[7]设计研发了一台无槽式电机,研究了当定子结构不同时,对整个电机的运行情况和性能的影响。因为该电机的定子没有槽,也就是没有齿部,它的气隙磁阻均匀,导致它的气隙磁通的空间谐波很小,并且几乎没有,所以涡流损耗相比其它的电机会小得多。同时它的绕组是环形绕组,可以减少该电机的轴向长度,使机械强度得到了保障。但该电机的缺点是由于气隙有效长度变大,使得永磁体的利用率下降。
  
  韩国忠南国立大学设计了一台应用在压缩机上的高速永磁同步电动机,它的功率为50k W,转速高达70000r/min。该电机的护套采用了碳纤维材料,并且绑扎在永磁体上,使该电机可以正常运行[8]。
  
  2007年,德国德累斯顿工程技术研发中心设计研发了一台开关磁阻电动机,该电机的转速为30000r/min,这台电机可以在很多场合使用,可用性很高[9]。2013年,韩国的一家研究院对高速电机进行了研究,并成功设计出高速永磁同步电动机,该电机的额定功率是15k W,同时转速很高,达到120000r/min[10]。
  
  在关键油气输送管道、大型舰船、飞机场等特殊场合中,需要用到功率甚至转速可调节的电机。为此美国FMC公司推出了高速永磁电动机,这台电机最突出的特点就是功率可调节,功率最低时是2MW,最高可达到12MW。其中PMM2型高速永磁电机的转速同样可调节,最高转速为22500r/min,额定电压是480V,效率高达97.5%,它的功率调节范围是1MW-2MW,该电机的转子结构上安装的是电磁轴承,易于调节。并且效率保持很稳定。这台电机实体如图1.1所示。
        
  在20世纪70年代后期,我国也逐渐开始了高速永磁电动机的设计和研发。在上世纪80年代,沈阳工业大学就对高速电机进行了研究,其中最成功的就是额定转速为20000r/min的一台高速电机,该电机制作出样机后可以正常运行。东南大学余莉等也开始了高速电机的设计和研发,并成功设计出无刷直流电机,它的功率为600W,转速是20000r/min[11]。浙江大学同样开展了高速电机的研究,在沈建新教授的指导下,他的团队成功研制出了一台,并且转速达到150000r/min,额定功率是2.3k W[12]。哈尔滨理工大学随后也进行了研究,在这些基础上设计出一台,它的转速为60000r/min,功率为117k W[13]。在国家科学自然基金项目中,南京航空航天大学研究了开关磁阻电机,主要分析高速电机转子结构上的问题,包括机械强度、刚度、无轴承问题等。
  
  国内安泰科技股份有限公司同时对非晶合金材料做了大量的分析试验,并研制了许多非晶材料的设备,最后有很大进展。中科院电工研究所在此基础上对非晶合金材料的电机与硅钢片材料的加工成的电机进行对比[14],因为非晶合金自身优异的特性,它的损耗较低,采用该材料设计出的电机的极数要多于采用传统材料设计出的电机,因此即使设计出来的电机定子的齿部和轭部的尺寸比传统电机小,但是它的效率反而很高。
  
  文献[15]对采用碳纤维护套保护永磁体的表贴式高速永磁电动机的机械强度进行了计算分析,该电机的额定转速为60000r/min,考虑超速实验,当速度达到72000r/min时,护套的最大等效应力超过了本身的屈服强度,这样就会导致电机毁坏,造成了严重的后果。在此基础上提出了去除弯曲效应的方法,就是在永磁体的气隙之间填充材料,并且该材料的密度和永磁体相似。
  
  上海船舶设备研究所的国家科研项目中,也对高速永磁电机做了许多研究,主要分析了电磁的设计优化,机械强度分析、刚度分析、冷却方式等,并且成功设计研发了相应的高速电机样机,部分数据达到国际领先水平。
  
  国外对高速电机领域涉及比较早,一些关键技术大都比较成熟;而国内对高速电机领域研究相对较晚。最近几年国家投入资金加大了对高速电机的研发力度,但是目前高速永磁电机具有很多问题需要解决,还处于试验的阶段。
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  1.2.2 高速电机机械特性分析与研究现状
  1.2.3 高速电机的损耗分析与研究现状
  1.2.4 高速电机的温升计算与研究现状
  1.3 课题主要研究内容
  
  第2章 高速永磁同步电动机的电磁设计.
  
  2.1 高速永磁同步电机的定、转子设计.
  2.1.1 定子内外径的选取.
  2.1.2 转子外径和长度的选择
  2.1.3 转子结构设计.
  2.1.4 永磁体材料及极槽配合的选择
  2.1.5 气隙长度以及护套厚度的选择.
  2.1.6 定子绕组的设计.
  2.1.7 电机设计基本方案
  2.2 基于有限元的电磁特性仿真
  2.2.1 空载特性仿真
  2.2.2 负载特性分析.
  2.3 本章小结.
  
  第3章 高速永磁同步电动机的强度分析.
  
  3.1 转子强度的理论分析.
  3.2 转子强度分析.
  3.2.1 模型的建立
  3.2.2 不同温度载荷下不同护套的应力分析
  3.3 转子强度的影响因素分析.
  3.3.1 过盈量对两种不同护套转子应力的影响
  3.3.2 护套厚度对转子应力分布的影响.
  3.4 本章小结
  
  第4章 高速永磁同步电动机损耗与温升的分析计算
  
  4.1 高速永磁电机的铜耗计算
  4.2 高速永磁电机铁耗的计算.
  4.2.1 传统铁耗计算模型
  4.2.2 分离铁耗计算模型
  4.2.3 有限元法计算铁耗.
  4.3 高速永磁电机转子涡流损耗的计算分析.
  4.4 高速永磁电机温升的计算
  4.4.1 电机传热的基本知识.
  4.4.2 建模.
  4.4.3 发热源的求取
  4.4.4 导热系数的确定
  4.4.5 电机模型仿真结果分析.
  4.5 本章小结.

  第5章 结论

  本文主要对一台高速电机进行具体地设计分析。该电机的性能指标要求为额定功率是24k W,额定转速是20000r/min,并且效率要求不小于95%,在此基础上分析它的电磁结构、转子强度、损耗与温升等。主要内容和结论如下:

  (1)根据设计要求,对定子内径、极槽配合、气隙长度和护套厚度以及永磁体长度等电机各部件的尺寸和材料进行选择。得出总体的设计方案。然后根据所得出的数据对该电机建立二维模型,将二维模型导入到有限元软件进行详细的分析计算。得到空载电磁特性以及负载电磁特性磁场云图、反电动势、转矩以及电流的曲线图等。并且证明了该电机设计是合理的。

  (2)对高速表贴式永磁电动机的转子强度进行了理论分析,基本介绍了静力的分析类型以及静力分析的基本步骤。然后再运用有限元法对该电机的转子进行具体的强度分析。首先对电机处在的常温以及高温的两种状态下进行仿真分析,发现电机在高温下运行时整个转子应力增加非常明显。因此在对表贴式高速电机进行强度分析时,要对它的热应力具体分析。之后再对永磁体和护套间的过盈量进行计算分析,当过盈量增加的同时,护套和永磁体的最大等效应力会随之增加。考虑永磁体的抗拉强度以及护套的屈服强度,合金护套过盈量的取值应为0.15mm。碳纤维保护套的过盈量取值应为0.08mm。因此过盈量合理的选取,是表贴式高速永磁电机设计的重要环节。然后考虑保护套厚度对转子强度产生的影响,永磁体护套厚度对其自身及永磁体的应力分布都有着显着的影响,护套所受等效应力随护套厚度增加而变小,但厚度增大到一定程度时,等效应力便不再明显减小。所以需合理的选择护套的厚度使高温情况下的永磁体处在压应力状态,但该压应力也不能过大,以免对永磁体在非运行状态下造成破坏。最终考虑散热等问题,在两种材料中,选择了合金材料作为护套。

  (3)本章主要对高速电机的各种损耗做了具体的计算分析。首先对于定子铁耗来说,分别说明了传统铁耗计算模型以及考虑旋转磁化和交变磁化分离的铁耗计算模型,并且最后采用有限元的方法合理的计算出本次设计电机的定子铁耗值;同时分析了定子绕组铜耗,并运用公式法准确计算出来;最后同样用有限元的方法仿真得出永磁体以及护套的涡流损耗。之后具体的分析了高速永磁电机的导热原理以及过程,同时还对电机的温度场计算做出了具体的分析;并且利用求出的定子铁耗、转子涡流损耗、机械损耗等计算出电机的内热生成率,同时分析它的导热特性。最后利用ANSYS Workbench软件对电机的温度场进行仿真分析,并且得出的温度值都在合理的范围内。

  参考文献

  原文出处:张萌. 高速永磁同步电动机的设计分析[D].沈阳工业大学,2019. 点击下载全文 转载请注明来源。原文地址:http://www.lw54.com/html/zhlw/20200711/8359698.html   

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