1、科目表面貼裝稀土永磁無刷DC基于的電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損研究摘要本文主要研究表貼式稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的分析方法。應(yīng)用于航空領(lǐng)域的稀土永磁無刷DC電機(jī)正朝著高功率密度和高速度方向發(fā)展。傳統(tǒng)的無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子無鐵損的理論不再適用。特別是當(dāng)電機(jī)在高功率級(jí)、高轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，這部分鐵損會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)熱、磁鋼失磁，嚴(yán)重影響電機(jī)的整體運(yùn)行性能。隨著數(shù)值分析方法的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，一種基于解析計(jì)算并結(jié)合有限元分析的無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損分析方法正在逐步形成。在無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的理論分析中，首先比較了三種主要分析方法:斯坦梅茨法、轉(zhuǎn)子磁鋼分段分析法和轉(zhuǎn)子磁鋼非分段分析法的優(yōu)缺點(diǎn)，分析、改進(jìn)并給出了適用于高功

2、率密度高速無刷DC電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損分析方法:轉(zhuǎn)子磁鋼分段分析法結(jié)合有限元法和轉(zhuǎn)子磁鋼非分段分析法結(jié)合有限元法?；跓o刷DC電機(jī)的工作原理和轉(zhuǎn)子鐵損的產(chǎn)生原理，對(duì)無刷DC電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損分離試驗(yàn)進(jìn)行了探索性研究，并對(duì)試驗(yàn)方案進(jìn)行了改進(jìn)。將樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)與解析法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。利用有限元法建立了樣機(jī)的二維模型，對(duì)比分析了空載和負(fù)載情況下轉(zhuǎn)子的鐵損。轉(zhuǎn)子保護(hù)套由不同的材料制成，轉(zhuǎn)子磁鋼分成不同的塊。仿真結(jié)果表明，采用高電阻率材料作為轉(zhuǎn)子保護(hù)套管，在轉(zhuǎn)子保護(hù)套管上附加高導(dǎo)電磁屏蔽層，采用轉(zhuǎn)子磁鋼的塊狀結(jié)構(gòu)，可以有效降低轉(zhuǎn)子的鐵損。關(guān)鍵詞:無刷DC電機(jī)，轉(zhuǎn)子鐵損，解析法，有限元法，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)目錄TOC

3、o 1-3 h z u HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761981 摘要I HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761982 AbstractIII HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761983 目錄V HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761984 第一章緒論1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761985 1.1 研究背景1 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761986 1.2 研究目的和意義2 HYPERLINK l _Ref

4、Heading_Toc251761987 1.3 國外研究現(xiàn)狀3 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761988 1.4 本文的主要研究容以與論文結(jié)構(gòu)5 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761989 第二章稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理以與電磁設(shè)計(jì)概述7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761990 2.1稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理7 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761991 2.2 稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)概述10 HYPERLINK l _RefHeading_

5、Toc251761992 2.2.1主要尺寸的確定10 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761993 2.2.2 相數(shù)、槽數(shù)、極對(duì)數(shù)的選擇11 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761994 2.2.3 永磁體的選擇和設(shè)計(jì)12 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761995 2.3 稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損耗產(chǎn)生原理13 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761996 2.3.1 定轉(zhuǎn)子磁場不同步引起的轉(zhuǎn)子鐵損耗13 HYPERLINK l _RefHeading_Toc25176

6、1997 2.3.2 齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)子鐵損耗13 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761998 2.4 本章小結(jié)14 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251761999 第三章稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損耗的理論分析15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762000 3.1 麥克斯韋方程15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762001 3.2 轉(zhuǎn)子鐵損耗的計(jì)算方法15 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762002 3.2.1 Steinmetz法15 HY

7、PERLINK l _RefHeading_Toc251762003 3.2.2 轉(zhuǎn)子磁鋼的分塊解析法16 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762004 3.2.3 轉(zhuǎn)子磁鋼的未分塊解析法18 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762005 3.3 電磁場分析軟件Magnet簡介19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762006 3.4 3.5kW稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)電磁場分析19 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762007 3.4.1 前處理20 HYPERLINK l _Ref

8、Heading_Toc251762008 3.4.2 求解27 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762009 3.4.3 后處理28 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762010 3.5 3.5kW稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)電磁場分析結(jié)果28 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762011 3.5.1 靜態(tài)磁場28 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762012 3.5.2 空載運(yùn)行特性29 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762013 3.5.3 負(fù)載運(yùn)行特性3

9、0 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762014 3.6 3.5kW稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損耗計(jì)算結(jié)果31 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762015 3.7 本章小結(jié)32 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762016 第四章稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損耗的試驗(yàn)分析33 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762017 4.1 轉(zhuǎn)子鐵損耗分離試驗(yàn)原理33 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762018 4.2 轉(zhuǎn)子鐵損耗的試驗(yàn)驗(yàn)證34 HYPERLI

10、NK l _RefHeading_Toc251762019 4.2.1 轉(zhuǎn)子鐵損耗分離試驗(yàn)步驟34 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762020 4.2.2 轉(zhuǎn)子鐵損耗分離試驗(yàn)結(jié)果36 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762021 4.2.3 轉(zhuǎn)子鐵損耗分離試驗(yàn)結(jié)果分析37 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762022 4.3 轉(zhuǎn)子鐵損耗分離試驗(yàn)結(jié)果誤差分析38 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762023 4.4 本章小結(jié)39 HYPERLINK l _RefHeading_Toc

11、251762024 第五章稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損耗的仿真分析41 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762025 5.1 轉(zhuǎn)子鐵損耗的有限元分析41 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762026 5.1.1 空載運(yùn)行仿真結(jié)果41 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762027 5.1.2 負(fù)載運(yùn)行仿真結(jié)果42 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762028 5.1.3 磁密隨時(shí)間變化仿真結(jié)果43 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762029 5.2 空載

12、和負(fù)載兩種不同情況對(duì)轉(zhuǎn)子鐵損耗的影響44 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762030 5.3 轉(zhuǎn)子保護(hù)套不同材料對(duì)轉(zhuǎn)子鐵損耗的影響45 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762031 5.4 轉(zhuǎn)子磁鋼分塊不同情況對(duì)轉(zhuǎn)子鐵損耗的影響46 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762032 5.5 本章小結(jié)47 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762033 第六章全文工作總結(jié)與后續(xù)工作展望49 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762034 6.1 全文工作總結(jié)49

13、HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762035 6.2 后續(xù)工作展望50 HYPERLINK l _RefHeading_Toc251762036 參考文獻(xiàn)51第一章導(dǎo)言本章主要介紹了表貼式稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的研究背景、意義和目的，以及國外的研究現(xiàn)狀。最后，介紹了本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排。1.1研究背景稀土無刷DC電機(jī)是隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型DC電機(jī)。它是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的重要運(yùn)動(dòng)部件。稀土無刷DC電機(jī)以電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，以新興的電力電子技術(shù)、數(shù)字電路技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)為后盾，具有強(qiáng)大的生命力1。稀土無刷DC電機(jī)最大的特點(diǎn)是電子換向裝置取

14、代了DC電機(jī)由換向器和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)，解決了DC電機(jī)的換向火花問題，同時(shí)保留了DC電機(jī)的優(yōu)良特性2。它既有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，又有DC電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)。此外，其轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如采用新型軸承或空氣軸承，可實(shí)現(xiàn)每分鐘數(shù)萬轉(zhuǎn)的超高速運(yùn)轉(zhuǎn)。在民用領(lǐng)域，稀土永磁無刷DC電機(jī)不僅可以用作通用DC電機(jī)、伺服電機(jī)和力矩電機(jī)，而且是新型電力機(jī)車牽引電機(jī)、電動(dòng)汽車等新興領(lǐng)域的核心技術(shù)之一。在航空航天領(lǐng)域，要求電機(jī)不僅要有足夠的驅(qū)動(dòng)力，還要有較小的體積。與傳統(tǒng)電機(jī)相比，稀土無刷DC電機(jī)具有功率密度高、控制特性好、在線檢測信息更豐富等特點(diǎn)。它們應(yīng)用廣泛，如飛機(jī)

15、螺旋槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)、燃油泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)、雷達(dá)天線驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)彈舵機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和衛(wèi)星天線展開機(jī)構(gòu)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。稀土永磁無刷DC電機(jī)是一種新型電機(jī)，1983年問世的高性能永磁材料釹鐵硼為其應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)3。稀土材料具有高剩磁和高磁能積，可產(chǎn)生高氣隙磁通，大大減小轉(zhuǎn)子磁鋼外徑，從而降低電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，降低電機(jī)時(shí)間常數(shù)，提高電機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。稀土永磁體的高矯頑力使氣隙磁場近似為矩形，電樞反應(yīng)對(duì)稀土永磁體退磁影響很小，降低了繞組電感，有利于稀土永磁無刷DC電機(jī)的運(yùn)行，提高了電磁轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性。因此，稀土永磁無刷DC電機(jī)更適合高速、突然反轉(zhuǎn)、堵轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)等特殊運(yùn)行場合的性能要求。目前，隨著大功率集成器件、專用集成

16、電路、新型控制理論和材料技術(shù)的發(fā)展，在減小電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器的體積和重量、增加電機(jī)的功率密度、提高系統(tǒng)的整體性能等方面取得了重大進(jìn)展。然而，由于稀土永磁無刷DC電機(jī)在我國的應(yīng)用剛剛開始，還存在許多問題，如稀土永磁無刷DC電機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法和新的控制理論有待完善。稀土永磁無刷DC電機(jī)的齒槽效應(yīng)、飽和效應(yīng)、漏磁和逆變器輸出的諧波成分必須通過相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證來削弱。特別是在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，一部分損耗通過傳熱和散熱損失掉，剩下的會(huì)造成電機(jī)局部溫升，嚴(yán)重影響電機(jī)的效率和運(yùn)行安全。作為稀土資源第一大國，我們應(yīng)該將這種潛在優(yōu)勢(shì)轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力，大力推廣高效稀土永磁無刷DC電機(jī)在我國的應(yīng)用，深入研究高效稀土永磁無刷DC

17、電機(jī)的理論分析方法，這對(duì)我國的國防現(xiàn)代化和工業(yè)現(xiàn)代化具有重大的現(xiàn)實(shí)意義和重要的理論價(jià)值。1.2研究目的和意義隨著電力電子技術(shù)、新型電磁材料和控制技術(shù)的發(fā)展，稀土永磁無刷DC電機(jī)廣泛應(yīng)用于航空工業(yè)和國防工業(yè)。與普通電機(jī)不同，稀土永磁無刷DC電機(jī)電磁場能量密度高，電機(jī)漏磁、齒槽效應(yīng)、渦流效應(yīng)和飽和效應(yīng)尤為突出。而且逆變器輸出諧波分量的存在使得稀土永磁無刷DC電機(jī)的電磁場分布更加復(fù)雜，嚴(yán)重影響了電機(jī)效率的提高。應(yīng)用于航空領(lǐng)域的稀土永磁無刷DC電機(jī)具有較高的功率密度和電磁密度。當(dāng)電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，由此產(chǎn)生的漏磁、齒槽效應(yīng)、渦流和飽和效應(yīng)對(duì)電機(jī)性能的影響尤為突出。傳統(tǒng)理論認(rèn)為，無刷DC電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場與定子

18、磁場同步旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子中沒有鐵損。計(jì)算電機(jī)損耗時(shí)，只需計(jì)算定子鐵損和銅損。但在一臺(tái)稀土永磁無刷DC電機(jī)樣機(jī)的負(fù)載溫升實(shí)驗(yàn)中，埋設(shè)在轉(zhuǎn)子鐵芯中的溫度傳感器測得的溫度高于埋設(shè)在定子繞組端部的溫度傳感器測得的溫度，說明轉(zhuǎn)子鐵芯中也存在鐵損，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子部分發(fā)熱。深入研究轉(zhuǎn)子鐵損產(chǎn)生的原因，轉(zhuǎn)子鐵損的定量計(jì)算和削弱方法，稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的實(shí)驗(yàn)方法成為本課題研究的關(guān)鍵。隨著稀土永磁無刷DC電機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，及其在軍用和民用產(chǎn)品中的廣泛應(yīng)用，如何準(zhǔn)確確定轉(zhuǎn)子中的總鐵耗及其分布在新型無刷DC電機(jī)的研發(fā)、設(shè)計(jì)和運(yùn)行中的重要性日益突出。通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究轉(zhuǎn)子鐵損是電機(jī)工程中的一個(gè)難題。近年來，國外發(fā)表了一

19、定數(shù)量的關(guān)于無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的文章，但大多集中于仿真分析。關(guān)于損耗測量方法的文獻(xiàn)很少，但測量和計(jì)算的結(jié)果對(duì)于轉(zhuǎn)子鐵損的定量研究是必不可少的4。分析轉(zhuǎn)子鐵損的傳統(tǒng)思路是:首先由電機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能指標(biāo)建立樣機(jī)的分析模型，然后由麥克斯韋方程建立樣機(jī)的數(shù)學(xué)模型，最后由相關(guān)數(shù)學(xué)模型計(jì)算出樣機(jī)的氣隙磁密。然而，分析模型的建立需要選擇許多經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。如果參數(shù)選擇不當(dāng)，會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)子鐵損的分析結(jié)果產(chǎn)生很大影響。此外，稀土永磁無刷DC電機(jī)的高功率密度會(huì)影響電樞反應(yīng)和磁場飽和。用傳統(tǒng)方法分析轉(zhuǎn)子鐵損，不僅分析結(jié)果誤差大，而且在模型建立和公式推導(dǎo)上花費(fèi)大量時(shí)間。這種不合理的狀況主要是由于分析工具和方法的落后。為了縮短

20、理論推導(dǎo)時(shí)間，降低研究成本，分析人員需要方便有效的軟件來輔助分析，改進(jìn)分析方法。電機(jī)磁場的數(shù)值輔助分析方法包括有限元法、有限差分法和邊界元法。目前應(yīng)用最廣泛的方法是有限方法3。電磁場有限元數(shù)值計(jì)算作為電機(jī)CAD的一種先進(jìn)分析方法，于20世紀(jì)60年代開始應(yīng)用于電機(jī)工程領(lǐng)域。其突出優(yōu)點(diǎn)是模型建立簡單，適用于求解邊界形狀或邊界條件復(fù)雜、介質(zhì)復(fù)雜的問題。分析過程易于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，仿真結(jié)果準(zhǔn)確，后處理功能強(qiáng)大。利用有限元軟件進(jìn)行輔助分析，可以彌補(bǔ)理論分析不準(zhǔn)確的缺點(diǎn)。本文的研究對(duì)稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵耗的成因、分布和削弱方法具有重要意義。為提高稀土永磁無刷DC電機(jī)的運(yùn)行效率提供了參考方法，為無刷DC電

21、機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的進(jìn)一步研究提供了理論依據(jù)。此外，從實(shí)際應(yīng)用效果來看，本文的研究成果將推動(dòng)稀土永磁無刷DC電機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，具有潛在的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。1.3國外研究現(xiàn)狀國外學(xué)者對(duì)稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的研究和分析做了大量的研究工作，取得了許多有益的研究成果。關(guān)于稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的研究，國內(nèi)許多學(xué)者從不同方面提出了自己的見解。該大學(xué)的辛建教授研究了高速永磁無刷DC電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和材料選擇5。研究表明，采用2極6槽集中繞組的定子結(jié)構(gòu)不僅可以降低轉(zhuǎn)子的渦流損耗，還可以減小定子繞組端部長度和轉(zhuǎn)子軸向長度，提高轉(zhuǎn)子高速運(yùn)行時(shí)的機(jī)械強(qiáng)度。用坡莫合金代替常用的硅鋼片可以有效降低

22、定子和轉(zhuǎn)子的鐵損。采用轉(zhuǎn)子的銅屏蔽環(huán)結(jié)構(gòu)，可以有效降低轉(zhuǎn)子的渦流損耗，降低轉(zhuǎn)子的運(yùn)行溫度，保證永磁體在沒有任何冷卻手段的情況下不會(huì)過熱退磁。針對(duì)高速電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗嚴(yán)重的問題，我校周博士用有限元法分析研究了永磁塊對(duì)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響6-8。分析表明，當(dāng)永磁體周向?qū)挾刃∮谥C波磁場在永磁體中的穿透深度時(shí)，永磁體分區(qū)可以有效降低永磁體中的渦流損耗。相反，永磁體的阻擋會(huì)增加永磁體中的渦流損耗。利用渦流磁場的屏蔽作用，在轉(zhuǎn)子保護(hù)套和永磁體之間增加一層高導(dǎo)電率的銅屏蔽層。雖然銅屏蔽層中會(huì)產(chǎn)生渦流損耗，但渦流產(chǎn)生的磁場抵消了氣隙磁場的諧波分量，顯著降低了永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯和保護(hù)套中的損耗，整體降低了轉(zhuǎn)子的渦流

23、損耗。交大的智臻博士用解析法9計(jì)算任意形狀鋼板的渦流損耗，用雙傅里葉變換數(shù)值逼近任意形狀鋼板表面的法向磁密，用遺傳算法結(jié)合Powell優(yōu)化法確定待定系數(shù)，再用解析式計(jì)算渦流分布和損耗。作者認(rèn)為該方法也適用于稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的分析和研究。工業(yè)大學(xué)的王運(yùn)田對(duì)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究10。結(jié)果表明，轉(zhuǎn)子損耗對(duì)無刷DC電機(jī)的運(yùn)行性能影響很大，會(huì)導(dǎo)致磁鋼退磁，改變電機(jī)性能，降低軸承的使用壽命。對(duì)于變頻電源供電的無刷DC電機(jī)，當(dāng)變頻電源輸出電壓的諧波含量較大時(shí)，轉(zhuǎn)子中定子繞組諧波電流引起的渦流損耗不可忽略。為減少渦流損耗，應(yīng)降低電源的電壓諧波分量，可采用導(dǎo)電性差的粘磁鋼。這些分析方法極

24、大地促進(jìn)了稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的研究。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的基礎(chǔ)支撐技術(shù)。西北工業(yè)大學(xué)稀土永磁電機(jī)及其控制技術(shù)研究所是我國最早從事稀土永磁電機(jī)研發(fā)的單位之一。近年來，結(jié)合有限元法在電機(jī)電磁場數(shù)值計(jì)算方面取得了大量的研究成果11-15。在稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的研究方面，國外學(xué)者也做了大量的研究，并得到了很多有指導(dǎo)意義的研究成果。1971年，Winslow，Chari和Silvester將有限元方法應(yīng)用于電磁場計(jì)算16-18，這是電磁場計(jì)算的一個(gè)重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。一系列關(guān)于電磁場數(shù)值計(jì)算的理論分析和計(jì)算方法的文章應(yīng)運(yùn)而生。在隨后的時(shí)期，取得了

25、許多突破性的成果，如網(wǎng)格自動(dòng)生成、有限元誤差估計(jì)和自適應(yīng)網(wǎng)格生成、2D和三維靜態(tài)磁場和渦流場的計(jì)算、電磁場大型方程組的求解方法等19。參考文獻(xiàn)20結(jié)合有限元方法，通過數(shù)值分析研究了永磁同步電機(jī)空載和負(fù)載下轉(zhuǎn)子鐵損的分布。結(jié)果表明，有負(fù)載時(shí)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損遠(yuǎn)高于空載時(shí)的鐵損。文獻(xiàn)21-22通過改進(jìn)的無刷DC電機(jī)數(shù)學(xué)模型，用有限元法和解析法分析了定子繞組齒槽效應(yīng)和時(shí)間諧波分量對(duì)轉(zhuǎn)子鐵損的影響。分析結(jié)果與有限元分析結(jié)果一致，證明了作者提出的無刷DC電機(jī)數(shù)學(xué)模型對(duì)分析轉(zhuǎn)子鐵損是有效的。參考文獻(xiàn)23研究了用于5Kw、150,000rpm機(jī)床的超高速永磁無刷電機(jī)。文章指出，由于齒槽效應(yīng)，電機(jī)設(shè)計(jì)中氣隙

26、長度增加。為了研究轉(zhuǎn)子保護(hù)套的鐵損，作者研究了幾種不同厚度的轉(zhuǎn)子保護(hù)套樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明，該樣機(jī)在較寬的速度范圍內(nèi)效率可保持在90%以上。文獻(xiàn)24指出，定子磁動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成了轉(zhuǎn)子部分明顯的鐵損。作者提出了一種新的稀土永磁無刷DC電機(jī)分析模型來分析轉(zhuǎn)子的鐵損。研究結(jié)果表明，均勻分割轉(zhuǎn)子磁鋼可以有效降低轉(zhuǎn)子的鐵損。1.4本文的主要研究內(nèi)容和結(jié)構(gòu)針對(duì)表貼式稀土永磁無刷DC電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損問題，在理論分析的基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件建立了樣機(jī)的二維電磁場分析模型，研究了轉(zhuǎn)子保護(hù)套材質(zhì)不同、塊數(shù)與轉(zhuǎn)子磁鋼不同時(shí)，表貼式稀土永磁無刷DC電機(jī)在空載和負(fù)載不同運(yùn)行工況下的轉(zhuǎn)子鐵損及其分布。最后，

27、設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)子鐵損分離試驗(yàn)，并將試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值計(jì)算和仿真分析進(jìn)行了對(duì)比。本文分六章研究表貼式稀土永磁無刷DC電機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損，其結(jié)構(gòu)如下:第一章首先概述了表貼式稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的研究背景，然后深入分析了本文的研究意義和研究目的。然后，介紹了國外稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的研究現(xiàn)狀。最后，介紹了本文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)。第二章首先介紹了稀土永磁無刷DC電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，然后從換相過程的分析中總結(jié)出稀土永磁無刷DC電機(jī)的工作原理。然后，簡要討論了稀土永磁無刷DC電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方法，并對(duì)傳統(tǒng)磁路計(jì)算方法和電磁場有限元輔助設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了比較。最后，結(jié)合無刷DC電機(jī)的工作原理和電磁場設(shè)計(jì)方法，闡述了無

28、刷電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的原理。第三章首先根據(jù)稀土永磁無刷DC電機(jī)的運(yùn)行特點(diǎn)，基于電磁數(shù)值計(jì)算的麥克斯韋方程，闡述了轉(zhuǎn)子鐵損的三種分析方法。然后，在上述三種分析方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合有限元法，對(duì)后兩種轉(zhuǎn)子鐵損分析方法進(jìn)行了改進(jìn)。最后，基于上述兩種改進(jìn)的分析方法，計(jì)算了3.5kW表貼式稀土永磁無刷DC電機(jī)樣機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損。第四章首先闡述了稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損分離試驗(yàn)的原理，詳細(xì)描述了設(shè)計(jì)試驗(yàn)步驟。然后通過拖曳試驗(yàn)測得轉(zhuǎn)子鐵損的相關(guān)數(shù)據(jù)，再通過后期的數(shù)據(jù)處理得到轉(zhuǎn)子鐵損的測量值。最后，對(duì)轉(zhuǎn)子鐵損分離試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了誤差分析和總結(jié)。第五章結(jié)合有限元分析軟件Magnet，建立了樣機(jī)的二維電磁場分析模型。首先，分

29、析了空載和負(fù)載情況下轉(zhuǎn)子的鐵損及其分布。然后，分析了轉(zhuǎn)子保護(hù)套采用不同材料時(shí)轉(zhuǎn)子的鐵損及其分布。然后，分析了轉(zhuǎn)子由不同磁鋼制成時(shí)的鐵損及其分布。最后，基于上述仿真結(jié)果，提出了削弱轉(zhuǎn)子鐵損的方法和能夠削弱轉(zhuǎn)子鐵損的理想轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。第六章總結(jié)了本文的研究內(nèi)容、研究工作和成果，并對(duì)今后的工作進(jìn)行了展望。第二章:概述了稀土永磁無刷DC電機(jī)的工作原理和電磁設(shè)計(jì)。稀土無刷DC電機(jī)是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，涉及材料科學(xué)、電力電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多個(gè)學(xué)科。相關(guān)行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步為稀土永磁無刷DC電機(jī)性能的提升提供了強(qiáng)有力的支持，使稀土永磁無刷DC電機(jī)向數(shù)字化、智能化、多功能集成化方向發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬。本章概述

30、了稀土永磁無刷DC電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，總結(jié)了稀土永磁無刷DC電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方法，為后面章節(jié)轉(zhuǎn)子鐵損的分析和研究奠定了基礎(chǔ)。2.1稀土永磁無刷DC電機(jī)的工作原理稀土永磁無刷DC電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)包括電機(jī)本體、控制器和轉(zhuǎn)子位置傳感器。結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1 25-26所示。圖2-1稀土永磁無刷DC電機(jī)結(jié)構(gòu)框圖1.發(fā)動(dòng)機(jī)殼體稀土永磁無刷DC電機(jī)的結(jié)構(gòu)類似于永磁同步電機(jī)，繞組在定子鐵芯中，稀土永磁磁極在轉(zhuǎn)子上。由于稀土永磁無刷DC電機(jī)應(yīng)用的多樣性，其定子和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)比永磁同步電機(jī)更加多樣。有三種常見的定子結(jié)構(gòu)，如圖2-2(a)、(b)和(c)所示。如圖(a)所示，轉(zhuǎn)子磁極與定子齒槽比為2/3，相繞組線圈繞

31、在一個(gè)定子齒上，每對(duì)磁極下有三個(gè)定子齒。這種結(jié)構(gòu)具有繞組端部尺寸小、繞組利用率高的優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是相繞組不能與所有轉(zhuǎn)子磁場耦合，永磁體利用率低。圖(b)為無齒結(jié)構(gòu)，定子繞組均勻分布在定子鐵芯表面的氣隙中。由于電機(jī)沒有定子齒，不產(chǎn)生齒槽轉(zhuǎn)矩，這種結(jié)構(gòu)非常適合對(duì)速度穩(wěn)定性、振動(dòng)和噪聲要求較高的場合。這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是繞組部分散熱能力差，溫度升高；電機(jī)的有效氣隙是轉(zhuǎn)子表面到定子鐵芯圓的距離，遠(yuǎn)大于普通電機(jī)的有效氣隙，氣隙磁密低。為了獲得更高的氣隙磁密度，需要增加永磁體的厚度，這增加了電機(jī)的成本。圖(c)為整數(shù)槽結(jié)構(gòu)，每極每相槽數(shù)Q為整數(shù)，定子繞組為多層繞組或單層同心繞組。這種結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于無刷DC電機(jī)25

32、。還有三種常見的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，如圖2-3(a)、(b)、(c)所示。圖2-3(a)示出了附接到轉(zhuǎn)子芯的外圓的瓦形稀土永磁體；圖2-3(b)顯示了嵌入轉(zhuǎn)子鐵芯中的矩形板狀稀土永磁體。在這兩種結(jié)構(gòu)中，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子外徑上套有0.3 0.8 mm的緊箍，可以防止永磁體在工作時(shí)被離心力甩出，同時(shí)在鹽霧等惡劣環(huán)境下也能保護(hù)永磁體。保護(hù)套管材料通常用非磁性不銹鋼、鋁或環(huán)氧樹脂無緯玻璃帶系緊。圖2-2(c)所示為轉(zhuǎn)子鐵心涂有整體粘結(jié)的稀土磁環(huán)，適用于體積小、功率小的稀土永磁無刷DC電機(jī)。這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子具有良好的制造工藝性26。(a) (b) (c)圖2-2定子的結(jié)構(gòu)(a)分?jǐn)?shù)時(shí)隙結(jié)構(gòu)；(b)無槽結(jié)構(gòu)；(c)整數(shù)

33、槽結(jié)構(gòu)(a) (b) (c)圖2-3轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖(a)磁瓦的徑向磁化；(b)矩形永磁體的切向磁化；(c)環(huán)形永磁體的徑向磁化1-緊圓；2-稀土永磁體；3-鐵芯；4-旋轉(zhuǎn)軸2.位置檢測器轉(zhuǎn)子位置傳感器是稀土永磁無刷DC電機(jī)的重要組成部分。其功能是檢測轉(zhuǎn)子位置以獲得轉(zhuǎn)子位置信息，并通過邏輯處理產(chǎn)生相應(yīng)的逆變器輸入信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器由傳感器轉(zhuǎn)子和傳感器定子組成，其中傳感器轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸連接，兩者同步旋轉(zhuǎn)；傳感器固定在電機(jī)定子或端蓋上，檢測并輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器主要有磁傳感器、光電傳感器、接近開關(guān)傳感器、旋轉(zhuǎn)編碼器等。3.控制器控制器用于控制電機(jī)定子各相繞組的通電順序和時(shí)間，主要由逆變

34、器和數(shù)字信號(hào)處理單元組成。逆變器是控制器的核心，主要作用是根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)及時(shí)給定子繞組通電，使電機(jī)產(chǎn)生持續(xù)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。每相繞組導(dǎo)通的順序和時(shí)間主要取決于來自位置傳感器的信號(hào)。數(shù)字信號(hào)處理單元主要用于對(duì)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)、PWM調(diào)制信號(hào)、正反轉(zhuǎn)和停機(jī)信號(hào)進(jìn)行邏輯處理和合成。為驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)管的斬波信號(hào)和選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停機(jī)控制，過壓過流保護(hù)。稀土永磁無刷DC電機(jī)的工作原理如圖2-4所示。Fa圖2-4稀土永磁無刷DC電機(jī)工作原理如圖2-4所示，控制電路將轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測到的信號(hào)進(jìn)行邏輯變換，產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后送到逆變器的各功率開關(guān)管，控制電機(jī)各相繞組

35、按一定順序工作，在電機(jī)氣隙中產(chǎn)生跳躍旋轉(zhuǎn)磁場。下面以兩相導(dǎo)電星形三相六態(tài)無刷DC電機(jī)為例說明其工作原理。當(dāng)轉(zhuǎn)子稀土永磁體位于圖2-5(a)所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極位置信號(hào)，經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使功率開關(guān)V1和V2導(dǎo)通，即繞組A和B通電，A進(jìn)B出，電樞繞組在空間的合成磁勢(shì)Fa如圖2-5(a)所示。此時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子的磁場相互作用，拖動(dòng)轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。電流流動(dòng)路徑為:正電源V1管A相繞組B相繞組V6管負(fù)電源。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)60度到達(dá)圖2-5(b)所示位置時(shí)，位置傳感器輸出信號(hào)，經(jīng)過邏輯變換后，開關(guān)管V6關(guān)斷，V2導(dǎo)通，而V1仍然導(dǎo)通。繞組A和C通電，A進(jìn)C出，電樞繞組在空間產(chǎn)生磁場

36、，如圖2-4(b)中Fa所示。此時(shí)，定子和轉(zhuǎn)子磁場之間的相互作用使得轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。電流流動(dòng)路徑為:正電源V1管A相繞組C相繞組V2管負(fù)電源，以此類推。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)每60度順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為v3 v2v3 V4V5 V4V5 V6V1 V6那么轉(zhuǎn)子磁場始終受定子合成磁場作用，繼續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。在圖2-5(a)至(b)所示的60度電角度圓內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場連續(xù)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而定子閉合。(a) (b)圖2-5稀土永磁無刷DC電機(jī)工作原理示意圖磁場在空間上保持圖2-5(a)中的位置，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場旋轉(zhuǎn)60度到達(dá)圖2-5(b)中的位置時(shí)，定子的合成磁場才從圖2-5(a)中的位置順時(shí)針跳躍到圖

37、2-5(b)中的位置?？梢钥闯?，定子磁場在空間上不是一個(gè)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場，而是一個(gè)跳躍的旋轉(zhuǎn)磁場，每一個(gè)步進(jìn)角都是60度電角度。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)動(dòng)60度，逆變器的開關(guān)管換向一次，定子的磁狀態(tài)改變一次?？梢钥吹诫姍C(jī)有六種磁態(tài)，每種都是兩相導(dǎo)通。電流在每相繞組中流動(dòng)的時(shí)間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120度，每個(gè)開關(guān)管的導(dǎo)通角為120度，因此逆變器為120度導(dǎo)通型26。2.2稀土永磁無刷DC電機(jī)電磁設(shè)計(jì)概述永磁無刷DC電機(jī)本體的設(shè)計(jì)主要包括電機(jī)結(jié)構(gòu)的選擇、電磁設(shè)計(jì)、熱計(jì)算、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻、噪聲分析計(jì)算等。它涉及到很多方面的知識(shí)，往往一個(gè)電機(jī)設(shè)計(jì)需要反復(fù)修改計(jì)算才能得到更合理的方案。設(shè)計(jì)步驟如下:首先確定電機(jī)結(jié)構(gòu)，然后

38、進(jìn)行電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)，然后根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果分析檢查設(shè)計(jì)的合理性并提出可能的調(diào)整方案，最后根據(jù)確定。電磁設(shè)計(jì)主要是根據(jù)給定的額定值和技術(shù)性能要求，選擇電樞繞組、電子換向電路和電機(jī)材料的合理組合，確定電機(jī)各部分的尺寸，計(jì)算其性能，以滿足節(jié)省材料、制造方便、性能好、經(jīng)濟(jì)效益高的要求。稀土永磁無刷DC電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)概述如下，主要討論電磁設(shè)計(jì)中主要參數(shù)的選擇。主要尺寸的確定經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，稀土永磁無刷DC電機(jī)與傳統(tǒng)的無刷DC電機(jī)相比，具有高功率密度的特點(diǎn)。高功率密度電機(jī)需要解決發(fā)熱和散熱問題。對(duì)于稀土永磁無刷DC電機(jī)，電機(jī)損耗主要包括定子銅損、定子鐵損、轉(zhuǎn)子鐵損、雜散損耗、機(jī)械損耗、功率管損耗等。如果某些參數(shù)

39、設(shè)計(jì)不當(dāng)，這些損耗產(chǎn)生的熱量會(huì)在電機(jī)中分布不均勻，造成局部過熱，或者電機(jī)效率降低，或者電機(jī)永久損壞。稀土無刷DC電機(jī)的主要尺寸由下面的公式(2-1)確定:(2-1)其中，是計(jì)算的極弧系數(shù)，是電樞直徑，是電樞長度，是計(jì)算的功率，是電負(fù)載，是磁負(fù)載，是額定轉(zhuǎn)速。從公式(2-1)可以看出，在電機(jī)額定功率和額定轉(zhuǎn)速確定的情況下，電機(jī)主要尺寸的取決于電機(jī)電磁負(fù)載的選擇。電機(jī)的電磁負(fù)載越高，電機(jī)的主尺寸越小，重量越輕，功率密度越高。從電機(jī)設(shè)計(jì)的角度來看，要達(dá)到高功率密度，就要選擇導(dǎo)磁性好的材料來提高磁負(fù)載。在保證絕緣的情況下，可以通過選擇耐高溫的絕緣材料來增加電機(jī)的熱負(fù)荷。因此，的選擇應(yīng)根據(jù)具體的性能指標(biāo)

40、、運(yùn)行環(huán)境、溫度和容積等綜合考慮。電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是電負(fù)載和磁負(fù)載的良好配合。當(dāng)電機(jī)材料選定后，電機(jī)的鐵損隨著磁負(fù)載的增加而增加，而銅損與電負(fù)載和電流密度的乘積成正比。銅損和鐵損直接影響電機(jī)的發(fā)熱和溫升。因此，增加電磁負(fù)載可以減小電機(jī)的尺寸，但當(dāng)電磁負(fù)載超過一定值或選擇不當(dāng)時(shí)，電機(jī)的銅損和鐵損會(huì)相應(yīng)增加，電機(jī)的效率會(huì)降低，從而影響電機(jī)的參數(shù)、起動(dòng)和運(yùn)行性能。隨著電磁負(fù)載的增加，定子和轉(zhuǎn)子表面的單位面積損耗會(huì)增加，從而使電機(jī)溫度升高。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，要綜合考慮電機(jī)的功耗和體積，合理選擇電機(jī)的電磁負(fù)載。當(dāng)乘積不變時(shí)，還應(yīng)考慮和之間的比例關(guān)系。由于電機(jī)的無功電勢(shì)與電負(fù)載的成比例，因此通常選擇較

41、小的和較大的來改善換向性能。同時(shí)，的減少也可以減少電樞用銅量。和的比例關(guān)系與銅和鐵的比例密切相關(guān)。對(duì)于低速電機(jī)，鐵耗較小，可選擇較大的。對(duì)于高速電機(jī)，鐵耗較大，因此不宜過大26。2.2.2選擇相數(shù)、槽數(shù)和極對(duì)數(shù)1.相數(shù)的選擇稀土永磁無刷DC電機(jī)相數(shù)的選擇需要考慮以下因素:繞組的利用程度、主功率電路的復(fù)雜程度和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。稀土無刷DC電機(jī)運(yùn)行時(shí)，各相繞組輪流通電，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。同時(shí)，并不是所有相繞組都對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩有貢獻(xiàn)，所以相繞組越多，利用率越低。同時(shí)，相繞組越多，控制系統(tǒng)主功率電路中的開關(guān)器件數(shù)量越多，主功率電路的復(fù)雜程度和成本也越高。但當(dāng)相數(shù)較大時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)會(huì)相應(yīng)減小，所以當(dāng)電機(jī)的穩(wěn)定性較

42、高時(shí)，可以通過增加相數(shù)來削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。2.槽數(shù)的選擇一般來說，全節(jié)距集中繞組稀土永磁無刷DC電機(jī)的槽數(shù)是相數(shù)和極對(duì)數(shù)的整數(shù)倍。隨著電機(jī)功率水平的提高和特殊結(jié)構(gòu)電機(jī)的應(yīng)用，分?jǐn)?shù)槽繞組被廣泛用于改善電機(jī)性能。采用分?jǐn)?shù)槽繞組時(shí)，只要繞組對(duì)稱，每相繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩就可以對(duì)稱。3.極性對(duì)的選擇稀土永磁無刷DC電機(jī)極對(duì)數(shù)的選擇需要考慮以下因素:材料利用率和電機(jī)效率。如果電機(jī)的氣隙磁通密度和電樞直徑不變，電機(jī)的總氣隙磁通將保持不變。如果電機(jī)的極對(duì)數(shù)增加，每極的磁通量減少，可以有效地減少電樞重量和磁軛厚度，從而節(jié)省電機(jī)用銅量，減輕電機(jī)重量。因此，低速運(yùn)行的無刷DC電機(jī)的極對(duì)數(shù)通常更多。而且隨著極對(duì)數(shù)的增加，

43、電樞繞組電感減小，有利于換相。但隨著電機(jī)極數(shù)的增加，鐵芯磁場的交變頻率會(huì)增加，控制器的鐵損和換向損耗也會(huì)增加。2.2.3永磁體的選擇和設(shè)計(jì)稀土永磁無刷DC電機(jī)的結(jié)構(gòu)和主要尺寸之間的比例關(guān)系主要取決于永磁體的材料性能。例如，Al-Ni-Co合金制成的永磁體具有較大的剩余磁通密度和較小的矯頑力，因此磁鋼的截面積可以減小，其長度應(yīng)該增加。鐵氧體正好相反。采用性能優(yōu)良的稀土永磁材料后，可以減小其磁鋼的截面和長度，從而減小整個(gè)電機(jī)的體積。目前常用的稀土永磁體主要有釤鈷永磁體和釹鐵硼永磁體。這兩種永磁體分別分為燒結(jié)永磁體和粘結(jié)永磁體。一般情況下，燒結(jié)永磁體比粘結(jié)永磁體能產(chǎn)生更高的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，適用于高磁

44、負(fù)載的電機(jī)。燒結(jié)永磁體產(chǎn)生的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度一般可達(dá)0.550.7T，有的可達(dá)0.7 0.9T；粘結(jié)永磁材料的性能相對(duì)較低。一般氣隙磁場在0.35t-0.45t之間，粘結(jié)永磁材料的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是加工工藝簡單，可以根據(jù)需要制作各種形狀的永磁體，適合大批量生產(chǎn)。稀土永磁無刷DC電機(jī)永磁體的設(shè)計(jì)主要是確定其磁化方向和截面積，從而確定永磁體退磁曲線的坐標(biāo)值。由于各類永磁體的性能不同，不同勵(lì)磁方式的永磁體形狀也不同，很難找到永磁體尺寸與技術(shù)指標(biāo)之間的確切對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常的方法是根據(jù)設(shè)計(jì)要求和經(jīng)驗(yàn)預(yù)取一個(gè)尺寸，通過磁路計(jì)算其工作點(diǎn)，根據(jù)磁路各部分的飽和度和工作點(diǎn)的大小調(diào)整永磁體的尺寸，或者經(jīng)過電路計(jì)算和性能計(jì)算后

45、調(diào)整永磁體的尺寸，直到滿意為止。2.3稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損原理2.3.1定子和轉(zhuǎn)子磁場不同步引起的轉(zhuǎn)子鐵損1.轉(zhuǎn)子軛根據(jù)本章2.1節(jié)稀土永磁無刷DC電機(jī)的工作原理，稀土永磁無刷DC電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場是一個(gè)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場，而定子電樞磁場在空間上不是一個(gè)連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場，而是一個(gè)跳躍的旋轉(zhuǎn)磁場，每個(gè)步進(jìn)角為60電角度。當(dāng)定子電樞的磁場在60電角度附近跳躍時(shí)，定子的合成磁場在空間中保持靜止，而轉(zhuǎn)子以高速旋轉(zhuǎn)，因此定子的合成磁場仍然與轉(zhuǎn)子軛的合成磁場交替。根據(jù)鐵芯在交變磁場中產(chǎn)生生鐵損耗的原理，轉(zhuǎn)子軛中會(huì)有損耗，轉(zhuǎn)子軛會(huì)發(fā)熱。2.磁鋼和保護(hù)套3.5kW稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子采用表貼徑向磁化磁鋼結(jié)構(gòu)

46、，其中表貼磁鋼貼在轉(zhuǎn)子磁軛表面。為了防止磁鋼在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)散開，在磁鋼表面設(shè)置了不銹鋼密封圈。由于緊環(huán)的導(dǎo)電性，在隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)切割了定子的電樞磁場，會(huì)產(chǎn)生渦流，進(jìn)而導(dǎo)致鐵損，導(dǎo)致保護(hù)套發(fā)熱。同樣，由于磁鋼具有一定的導(dǎo)電性，磁鋼中也會(huì)產(chǎn)生渦流，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)熱。2.3.2齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)子鐵損稀土無刷DC電機(jī)的理想氣隙磁密波形是方波，如圖2-6所示。然而，由于齒槽效應(yīng)，實(shí)際氣隙磁通密度波形(如圖2-7所示)包含大量高次諧波。轉(zhuǎn)子的保護(hù)套、磁鋼和磁軛均由導(dǎo)電材料制成。當(dāng)高次諧波通過這些導(dǎo)電材料時(shí)，會(huì)在轉(zhuǎn)子部位產(chǎn)生渦流損耗，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)熱。圖2-6氣隙磁通密度的理想波形圖2-7氣隙磁通密度的實(shí)際波形圖稀

47、土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損在轉(zhuǎn)子部件中的分布及削弱方法將在以下章節(jié)介紹。2.4本章概述本章首先介紹了稀土永磁無刷DC電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了電機(jī)本體、位置傳感器和控制器，并從換相過程的分析中總結(jié)了稀土永磁無刷DC電機(jī)的工作原理。然后，總結(jié)了稀土永磁無刷DC電機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方法，重點(diǎn)討論了稀土永磁無刷DC電機(jī)電磁設(shè)計(jì)中主要參數(shù)的選擇方法和原則。最后，結(jié)合稀土永磁無刷DC電機(jī)的工作原理和電磁設(shè)計(jì)方法，說明了稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的產(chǎn)生原理。第三章:稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的理論分析。本章基于麥克斯韋方程和加權(quán)余量技術(shù)，研究了稀土永磁無刷DC電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損的分析方法。結(jié)合3.5kW樣機(jī)的有限

48、元分析結(jié)果，用解析法計(jì)算了轉(zhuǎn)子的鐵損。3.1麥克斯韋方程麥克斯韋(J.C.Maxwell，1831-1879)，格蘭物理學(xué)家。他對(duì)人類最大的貢獻(xiàn)是系統(tǒng)總結(jié)了電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律，創(chuàng)建了麥克斯韋方程組。他的經(jīng)典著作(關(guān)于電和磁的論文)奠定了經(jīng)典電磁學(xué)的理論基礎(chǔ)。計(jì)算磁鋼損耗的各種常用方法和約束方程可由麥克斯韋方程導(dǎo)出，引入適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件和規(guī)則，與場源配置信息形成定解問題。采用的狀態(tài)變量可以是待求解的場量，如E、H、矢勢(shì)和標(biāo)勢(shì)，或它們的組合28。在計(jì)算稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損耗時(shí)，主要用到麥克斯韋方程的結(jié)構(gòu)方程constitutive equation29。 (3-1) (3-2)3.2 轉(zhuǎn)

49、子鐵損耗的計(jì)算方法稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損耗可以通過三種方法計(jì)算得到，Steinmetz法，轉(zhuǎn)子磁鋼的未分塊解析法，轉(zhuǎn)子磁鋼的分塊解析法。三種分析方法原理如下各節(jié)所示。3.2.1Steinmetz法稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損耗一般包含三個(gè)分量：渦流損耗(或稱之為(classical eddy current loss)，磁滯損耗(hysteresis loss)，和異常附加損耗(anomalous eddy current loss)。通過試驗(yàn)或者分析的方法把幾種損耗分量分離開都是相當(dāng)困難的。已有的實(shí)驗(yàn)研究和分析結(jié)果表明：普通鋼中的異常附加損耗在總損耗中的比例很小，即，磁滯損耗和

50、渦流損耗是鋼中的損耗的主要成分。Steinmetz方程指出鐵損耗中主要包括渦流損耗和磁滯損耗兩種成分，即： (3-3)式(3-3)中的和表示為磁密的有效值和最大值以與頻率的關(guān)系30-31。式中：，材料常數(shù)；頻率； 磁密最大值； 磁密有效值； Steinmetz指數(shù)； 材料的厚度。 從式(3-3)中可以看出，磁滯損耗是頻率的一次方的函數(shù)，渦流損耗是頻率的二次方的函數(shù)，可以通過變頻的方法把磁滯損耗和渦流損耗分離32-33。文獻(xiàn)28指出了磁場淺透入深度與材料厚度的要求，以Problem2131模型中采用A3鋼為例，電導(dǎo)率為，其透入深度按式(3-4)計(jì)算。 (3-4)式中：磁場的交變頻率；材料的相對(duì)磁

51、導(dǎo)率。 用Steinmetz法計(jì)算轉(zhuǎn)子的鐵損耗時(shí)，優(yōu)點(diǎn)是可以將渦流損耗和磁滯損耗分離開來，便于實(shí)現(xiàn)程序化計(jì)算，缺點(diǎn)是要對(duì)轉(zhuǎn)子部件分為不同的層分別計(jì)算，層數(shù)與轉(zhuǎn)速成正比，計(jì)算量很大。3.2.2 轉(zhuǎn)子磁鋼的分塊解析法文獻(xiàn)34建立了轉(zhuǎn)子在磁鋼分塊時(shí)的鐵損耗模型。圖3-1給出了轉(zhuǎn)子的磁鋼截面圖，x方向?yàn)檗D(zhuǎn)子圓周方向，z方向?yàn)檗D(zhuǎn)子軸向方向，電流密度可以通過二階Maxwell方程計(jì)算得到。圖3-1磁鋼截面圖 (3-5)式(3-5)應(yīng)用于圖3-1中的虛擬閉合回路C時(shí)，需要做如下假設(shè)：1.磁通路徑垂直于磁鋼表面；2.忽略端部效應(yīng)，所以鐵損耗電流只在z軸起作用，閉合回路C中的x方向在線積分中不起作用；3.磁鋼軸

52、向長度遠(yuǎn)大于圓周方向?qū)挾龋?.在磁鋼圓周方向?qū)挾茸銐蛐〉那闆r下，認(rèn)為磁密在有限圓周方向?qū)挾葒呛愣ǖ?，這樣電流密度可以被看做關(guān)于x軸對(duì)稱的奇函數(shù)，即： (3-6) (3-7)注：電場強(qiáng)度；電流密度； 永磁體的電阻率。 (3-8)由以上分析，轉(zhuǎn)子磁鋼分塊時(shí)，每單元鐵損耗可以通過計(jì)算下式得到：(3-9)文獻(xiàn)35-36指出通過這種方法計(jì)算轉(zhuǎn)子磁鋼在分塊時(shí)的鐵損耗比計(jì)算轉(zhuǎn)子在未分塊時(shí)的鐵損耗要準(zhǔn)確。文獻(xiàn)34指出在計(jì)算表貼式稀土永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損耗時(shí)，由定子繞組的空間對(duì)稱性問題和定子沖片齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)子鐵損耗可以忽略不計(jì)。文獻(xiàn)36指出由于定子繞組的時(shí)間諧波電流引起的轉(zhuǎn)子鐵損耗遠(yuǎn)大于定子繞組空

53、間諧波引起的鐵損耗。所以磁密可以通過下式表示： (3-10)式中：表示轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)，和是時(shí)間的函數(shù)。圖3-2 兩對(duì)極REPM截面圖在磁鋼分塊的情況下如圖3-2所示，磁密在有限寬度圍可以認(rèn)為是恒定的，所以第塊小磁鋼的鐵損耗為：(3-11)將塊小磁鋼的鐵損耗求和就得到了磁鋼的總損耗： (3-12)式中：磁密基波初相角；磁鋼每單元角度； 倍的； 轉(zhuǎn)子磁鋼極對(duì)數(shù)； 磁鋼厚度； 極弧寬度； 氣隙半徑； 轉(zhuǎn)子軸向長度； 3.2.3 轉(zhuǎn)子磁鋼的未分塊解析法當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鋼未分塊時(shí)，與已在同一個(gè)數(shù)量級(jí)，經(jīng)過理論分析通過式(3-12)計(jì)算轉(zhuǎn)子鐵損耗時(shí)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)該大于真實(shí)值34。當(dāng)轉(zhuǎn)子磁鋼未分塊時(shí)，通過文獻(xiàn)37-39給

54、出的分析方法能夠更加準(zhǔn)確的計(jì)算出轉(zhuǎn)子的鐵損耗，依據(jù)上節(jié)的推導(dǎo)，結(jié)合Maxwell方程，則轉(zhuǎn)子磁鋼的鐵損耗可以通過下式計(jì)算得到： (3-13)(3-14)結(jié)合方程3-12和3-14可以看出，無論是用轉(zhuǎn)子鐵損的分塊分析法還是非分塊分析法計(jì)算樣機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損，這兩種方法的核心都是通過某種方法得到轉(zhuǎn)子部分某一位置在一定時(shí)間內(nèi)的磁密變化率。方程3-12和3-14主要采用解析的方法獲得變化率，精度難以保證。因此，本文擬采用有限元法計(jì)算轉(zhuǎn)子某一位置在一定時(shí)間內(nèi)的磁密變化率，然后結(jié)合方程3-12和3-14計(jì)算轉(zhuǎn)子的鐵損。這兩種改進(jìn)的計(jì)算轉(zhuǎn)子鐵損的方法稱為結(jié)合有限元的轉(zhuǎn)子鐵損分塊分析法和結(jié)合有限元的轉(zhuǎn)子鐵損非分塊

55、分析法。3.3電磁場分析軟件Magnet介紹低頻電磁場分析軟件Magnet是加拿大Infolytica公司的四個(gè)主要軟件包之一。自1978年以來，Magnet作為第一個(gè)電磁場分析軟件，在低頻電磁場仿真分析領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。這個(gè)軟件已經(jīng)幫助了全球很多工程師和設(shè)計(jì)師一起進(jìn)行精確的電磁場仿真分析40。該軟件的特點(diǎn)主要包括以下幾個(gè)方面:1.真正的窗口界面，簡單易用，方便快捷的建模和分析。2.有許多強(qiáng)大的求解器，其中瞬態(tài)求解器支持多運(yùn)動(dòng)部件和多自由度的仿真分析。3.強(qiáng)大的建模功能可以快速簡單地構(gòu)建復(fù)雜的圖形。4.有一個(gè)直接的CAD界面。您可以導(dǎo)入/導(dǎo)出多種文件類型。如AutoCAD、SAT、CATI

56、A等文件類型。5.完整的素材庫和強(qiáng)大的素材編輯功能，用戶可以根據(jù)需要添加素材，或者修改素材的電、磁、熱、損耗等屬性。6.網(wǎng)格生成和網(wǎng)格自適應(yīng)。Magnet的adaptive divider使用有限元方法精確且自適應(yīng)地生成2D和3D模型，用戶還可以使用生成工具對(duì)需要精確求解的區(qū)域進(jìn)行加密。7.強(qiáng)大的后處理功能，MagNet可以提供多個(gè)場和標(biāo)量的數(shù)值模擬結(jié)果。用戶可以通過等勢(shì)線圖、云圖和矢量箭頭圖觀察物體表面或截面上的實(shí)地結(jié)果。8.強(qiáng)大而方便的腳本功能?？梢宰詣?dòng)處理重復(fù)性工作，以MagNet為平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)，如調(diào)用、與其他軟件協(xié)同仿真等。3.4-3.5 kw稀土永磁無刷DC電機(jī)電磁場分析有限元分

57、析軟件Magnet的基本操作步驟與一般有限元CAE(計(jì)算機(jī)輔助工程)軟件類似，分為前處理、求解和后處理三個(gè)部分。一個(gè)電機(jī)的分析包括以下具體步驟，如圖3-3所示41:圖3-3 Magnet軟件的基本分析步驟預(yù)處理前處理包括建立幾何模型、設(shè)置材料、連接電路等。3.5kW表貼式稀土永磁無刷DC電機(jī)的主要參數(shù)如下:1額定功率3.5kW2額定電壓270伏3額定轉(zhuǎn)速5300rpm4電樞直徑70.4毫米5電樞外徑130毫米6電樞鐵芯長65毫米7極對(duì)28電樞槽式開口梯形槽9氣隙寬度為0.7毫米10齒241定子槽口寬度2mm12.定子槽深為0.5毫米13定子槽的肩寬為5.3毫米14定子槽肩深度為0.5毫米15定

58、子槽深度為19.6毫米16定子槽底部寬度8.217轉(zhuǎn)子保護(hù)套厚度為0.9mm18磁鋼磁化方向厚度5mm1磁鋼極弧系數(shù)0.8520轉(zhuǎn)子鐵芯外徑57.2毫米1轉(zhuǎn)子鐵芯直徑26毫米22轉(zhuǎn)子保護(hù)套材料1Cr18Ni9Ti23磁鋼材料NSC27G24軛材料DW310-3525軸材料10 #鋼26并行分支的數(shù)量1每相繞組18的27個(gè)串聯(lián)匝28絲直徑0.63毫米9和纏繞根數(shù)10。(1)打開新模型安裝MagNet和相應(yīng)的許可證后，就可以運(yùn)行MagNet了。在Windows系統(tǒng)上，單擊開始程序磁鐵磁鐵啟動(dòng)磁鐵。(2)建立幾何模型。本文研究的稀土永磁無刷DC電機(jī)模型可以直接建立在磁體中。基于光柵圖形技術(shù)，通過繪制

59、直線、圓弧、圓或它們的組合來生成閉合區(qū)域，然后對(duì)閉合區(qū)域進(jìn)行拉伸、旋轉(zhuǎn)來生成實(shí)體。2D繪圖是在構(gòu)造切片上完成的，默認(rèn)的構(gòu)造切片是XY平面。當(dāng)然，這個(gè)構(gòu)造切片可以移動(dòng)到3D空間的任何地方，然后繪制和生成實(shí)體。其他CAD軟件建立的2D/三維模型也可以方便地與磁體接口。可以導(dǎo)入/導(dǎo)出的文件類型包括:AutoCAD、SAT、CATIA、Pro/E、IGES、STEP、Inventor等。該模型可以作為2D模型導(dǎo)入，如AutoCad格式的DXF文件，然后拉伸和旋轉(zhuǎn)以生成三維實(shí)體。模型也可以作為3D模型導(dǎo)入，如SAT文件。導(dǎo)入后，如果模型的中心不在原點(diǎn)上，可以移動(dòng)模型并將中心放在原點(diǎn)上。通過上述CAD軟件

60、導(dǎo)入模型時(shí)需要注意以下幾點(diǎn)42:1)建立的模型文件必須以AutoCAD格式保存為DXF文件；2)在AutoCAD中建立幾何模型時(shí)，模型的中心要放在坐標(biāo)原點(diǎn)；3)對(duì)于MagNet6.27版本6.27，模型文件所在的路徑不能包含中文字體；4)導(dǎo)入文件后，注意單位和精度的選擇。本文的研究對(duì)象是一臺(tái)3.5kW稀土永磁無刷DC電機(jī)。將AutoCAD繪制的DXF文件直接導(dǎo)入Magnet，建立的幾何模型如圖3-4所示。氣隙分為三層，外兩層屬于定子部分，側(cè)一層屬于轉(zhuǎn)子部分，轉(zhuǎn)子氣隙的外緣為旋轉(zhuǎn)部分的邊界。同時(shí)，設(shè)置三層氣隙可以提高求解精度。圖3-4幾何模型圖模型導(dǎo)入后，在項(xiàng)目界面選擇“文件名屬性”來設(shè)置模型的