磁钢的涡流损耗对永磁电机的转子温升影响

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引言


稀土永磁同步电动机(REPMSM)具有体积小、重量轻、效率高等特点,理论上转子无基波损耗,转子温升应该较低,但实际情况则不然。以作者研制的一台增安型稀土永磁同步电机为例,试验时出现转子温升高达1 25°C的现象。转子温度过高,会对钕铁硼永磁体造成去磁的危险,影响电机正常工作。本文分析了可能导致转子温升过大的原因,提出了降低温升的措施。


1 转子结构

REPMSM的定子取异步电机的定子,它的结构一般指转子的结构。异步起动REPMSM的转子由鼠笼条、转轴、转子铁心和永磁体组成,转子铁心由冲片叠压而成,并在转子铁心内填入钕铁硼永磁体,同时铸铝形成鼠笼,如图1所示。其起动过程同异步电机,当定子电枢绕组中通人三相对称交流电时,形成圆形旋转磁场,此时转子静止,转子鼠笼切割磁力线,并感应出交流电形成交变磁场,与定子磁场作用,转子开始转动。当转子转速接近同步转速时,鼠笼条中不再产生感应电流,而是永磁体形成的恒定磁场与定子磁场同步旋转,进入正常运行。

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图1 转子结构意图


2 转子温升产生原因


电机运行时的发热,均来自于电机的损耗。REPMSM同步运行时,转子损耗包括永磁体损耗和谐波损耗等。


2.1永磁体损耗 :钕铁硼的电阻率是(1.44×l0ˉ)Ω·m,具有一定的导电性,会在交变磁场中产生涡流损耗。钕铁硼的导热率为7.7cal/m.h.°C,传热性差。钕铁硼磁铁容易生锈、氧化,使热量难以向外传导,加剧了转子的温升。


2.2 谐波损耗受齿槽效应、定子磁场等因素影响,电机气隙中的谐波磁场很复杂。气隙中的谐波磁场以不同的速度相对于转子运动,在转子铁心和鼠笼条中感应电流,从而产生谐波损耗,使转子温度升高。


3 降低温升的措施


由上述分析,提出相应解决方法如下。


3.1)永磁体分段、分层:永磁体的放置不再是整段材料,而是将一段永磁体分为多个小段或多个层,如图2。并且对永磁体段(层)表面进行电泳处理,以减小涡流损耗,降低转子温升。


3.2)增大气隙:对于异步电机,增大气隙会增大漏磁,使励磁电流增大,效率降低。而对于稀土永磁同步电机,加大气隙,则可增大高次谐波气隙磁场磁阻和谐波漏抗,减少其磁链的交链程度,削弱谐波电流,降低定、转子表面损耗和谐波损耗等,从而起到降低温升的作用。

3.3)转子采用半闭El槽或闭口槽:这样可以减少转子铁心表面损耗和齿内脉振损耗,并使有效气隙长度减小,改善功率因数,同时降低气隙磁导谐波的脉振幅值,减小磁导谐波引起的谐波损耗。


3.4)选取适当的槽配合:谐波次数越低,转子槽数越多,损耗就越大;定、转子槽数比接近于1时,损耗最小,因此尽可能选取近槽配合。


3.5)定子绕组双层短距分布绕组:双层短距分布绕组根据需要选择不同的跨距,可以减少高次谐波,又使基波电动势减少不大,从而有效改善了气隙磁场的波形,减少谐波损耗,降低温升。


3.6)选用高质量钕铁硼永磁体:在实际应用中发现,不同厂家生产的同牌号钕铁硼永磁体性能有较大差异。钕铁硼牌号不同,产生的涡流损耗大小不同,并且导热率也有所差异。选择导热率相对较大的高性能钕铁硼永磁材料,有利于磁钢上热量的传导,从而降低转子温升。

4 样机转子温升的改善措施及效果


由上述分析,更换样机所用的钕铁硼永磁铁牌号,由以前的40SH换为33UH,重新进行温升试验,结果是定子铁心温度为80℃,温升为51℃,转子铁心温度为140℃,温升为110℃。更换永磁体后转子铁心温升下降了10℃,可见永磁体涡流损耗对转子温升影响很大。

5 结语


本文探讨了稀土永磁同步电机转子温升过高的原因,并分析提出了降低转子温升的方法。在对原样机更换永磁体牌号后进行试验,表明永磁体的涡流损耗对转子温度影响很大。因此,若在电机制造过程中能采取永磁体分段或分层等措施,转子温升会有所下降.

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