【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 其中：為計(jì)算極弧系數(shù)，為電樞直徑，為電樞長(zhǎng)度，為計(jì)算功率，為電負(fù)荷，為磁負(fù)荷，為額定轉(zhuǎn)速。由式(21)可知，當(dāng)電機(jī)的額定功率，額定轉(zhuǎn)速確定時(shí)，電機(jī)主要尺寸大小取決于電機(jī)電磁負(fù)荷的選擇。電機(jī)電磁負(fù)荷越高，電機(jī)的主要尺寸就越小，重量就越輕，功率密度也就越高。從電機(jī)設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)高功率密度，應(yīng)選用導(dǎo)磁性能好的材料，以提高磁負(fù)荷；在保證絕緣的條件下，選擇耐高溫的絕緣材料，可以提高電機(jī)的熱負(fù)荷。因此，的選擇要根據(jù)具體性能指標(biāo)、運(yùn)行環(huán)境、溫度和體積等因素綜合考慮，電機(jī)的電負(fù)荷和磁負(fù)荷好的配合是電機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。當(dāng)電機(jī)材料選定后，電機(jī)的鐵耗隨著磁負(fù)荷的增加而增加，而銅耗與電負(fù)荷和電流密度的乘積成正比，銅耗與鐵耗直接影響到電機(jī)的發(fā)熱和溫升。所以增大電磁負(fù)荷，雖然可以減小電機(jī)的體積尺寸，但當(dāng)電磁負(fù)荷超過(guò)一定值或選取不恰當(dāng)時(shí)，電機(jī)銅耗、鐵耗會(huì)相應(yīng)增加，電機(jī)效率降低，從而影響電機(jī)的參數(shù)、起動(dòng)和運(yùn)行性能。電磁負(fù)荷的提高使電機(jī)尺寸縮小后，定轉(zhuǎn)子表面單位面積損耗將增高，從而使電機(jī)溫度升高。因此，實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)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)荷。在乘積一定的情況下，還應(yīng)考慮和比例關(guān)系。由于電機(jī)的電抗電勢(shì)正比于電負(fù)荷，所以一般選用較小的和較大的，以改善換向性能。同時(shí)，的減小也可以使電樞用銅量降低，與的比例關(guān)系與銅、鐵所占比重有密切關(guān)系，對(duì)于低速電機(jī)，鐵耗較小，可以選的較大；對(duì)于高速電機(jī)，鐵耗較大，就不宜太大[26]。 相數(shù)、槽數(shù)、極對(duì)數(shù)的選擇稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的相數(shù)的選擇需要考慮如下因素：繞組的利用程度、主功率電路的復(fù)雜程度以及轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，各相繞組依次通電產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，同一時(shí)刻并不是所有的相繞組對(duì)電磁轉(zhuǎn)矩都做出貢獻(xiàn)，因此相繞組越多，其利用率就越低。同時(shí)相繞組越多，控制系統(tǒng)主功率電路的開關(guān)器件個(gè)數(shù)相應(yīng)的增加，主功率電路的復(fù)雜程度和和成本將會(huì)上升。然而在相數(shù)較多時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)卻會(huì)相應(yīng)的減小，所以在電機(jī)穩(wěn)定度要求較高時(shí)，可以通過(guò)增加相數(shù)去削弱轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。通常來(lái)說(shuō)，采用整距集中繞組的稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，其槽數(shù)為相數(shù)和極對(duì)數(shù)的整數(shù)倍。隨著電機(jī)功率等級(jí)的增加以及特殊結(jié)構(gòu)電機(jī)的應(yīng)用，為了改善電機(jī)性能，分?jǐn)?shù)槽繞組得到了廣泛應(yīng)用。應(yīng)用分?jǐn)?shù)槽繞組時(shí)，只要繞組對(duì)稱就能保證各相繞組產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩對(duì)稱。稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的極對(duì)數(shù)的選擇需要考慮如下因素：材料的利用率和電機(jī)的效率。若電機(jī)的氣隙磁密和電樞直徑不變，那么電機(jī)總的氣隙磁通保持不變。如果電機(jī)極對(duì)數(shù)增加，則每極磁通減少，可以有效的減小電樞重量和和軛部厚度，因而節(jié)約了電機(jī)的用銅量，減小了電機(jī)重量，所以低速運(yùn)行的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)通常較多。再者極對(duì)數(shù)增加，電樞繞組電感減小，對(duì)換相有利。然而隨著電機(jī)極對(duì)數(shù)的增加，鐵心磁場(chǎng)交變頻率升高，鐵耗和控制器換相損耗將會(huì)增加。 永磁體的選擇和設(shè)計(jì)稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和主要尺寸的比例關(guān)系主要決定于永磁體的材料性能，例如鋁鎳鈷合金永磁材料，由于剩余磁通密度較大而矯頑力較小，因此磁鋼的截面積可以縮小，而長(zhǎng)度應(yīng)增加；鐵氧體則與此剛好相反。采用性能優(yōu)異的稀土永磁材料后，其磁鋼截面及長(zhǎng)度都可以縮小，從而使得整個(gè)電動(dòng)機(jī)的體積也縮小。當(dāng)前常用的稀土永磁材料主要有釤鈷永磁材料和釹鐵硼永磁材料，這兩種永磁材料又分別有燒結(jié)式和粘結(jié)式之分，一般燒結(jié)式永磁材料在同等條件下可以產(chǎn)生比粘結(jié)式永磁材料高的氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度，適合于高磁負(fù)荷的電機(jī)，~，~；粘結(jié)式永磁材料性能相比來(lái)說(shuō)較低，~。粘結(jié)式永磁材料的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是加工工藝簡(jiǎn)單，可以根據(jù)需要制成各種形狀的永磁體，適合于大批量生產(chǎn)。設(shè)計(jì)稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的永磁體，主要是確定其磁化方向和橫截面積，以確定永磁體的去磁曲線的坐標(biāo)值。由于各類永磁體的性能不同，各種勵(lì)磁方式的永磁體形狀不同，較難找到永磁體尺寸與技術(shù)指標(biāo)之間準(zhǔn)確的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常的方法是先按設(shè)計(jì)要求，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)預(yù)取一個(gè)尺寸，進(jìn)過(guò)磁路計(jì)算求出其工作點(diǎn)，根據(jù)磁路各部分的飽和情況和工作點(diǎn)的大小，對(duì)永磁體尺寸進(jìn)行調(diào)整，或進(jìn)過(guò)電路計(jì)算和性能計(jì)算后，對(duì)永磁體尺寸進(jìn)行在調(diào)整，直到滿意為止。 稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損耗產(chǎn)生原理 定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)不同步引起的轉(zhuǎn)子鐵損耗，稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)是連續(xù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而定子電樞磁場(chǎng)在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，每個(gè)步進(jìn)角是60176。電角。在定子電樞磁場(chǎng)跳變的60176。電角范圍內(nèi)，定子合成磁場(chǎng)在空間保持位置不動(dòng)，而轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)，因此定子合成磁場(chǎng)相對(duì)于轉(zhuǎn)子軛仍是交變的，根據(jù)鐵心在交變磁場(chǎng)中產(chǎn)生鐵損耗的原理，在轉(zhuǎn)子軛部會(huì)有損耗產(chǎn)生并引起轉(zhuǎn)子軛發(fā)熱。，其中表貼式磁鋼是附在轉(zhuǎn)子軛部表面的，為了防止電機(jī)在高速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中磁鋼的飛散，在磁鋼的表面配置了不銹鋼緊圈。由于緊圈具有導(dǎo)電性，在隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)切割定子電樞磁場(chǎng)，在其中會(huì)產(chǎn)生渦流，進(jìn)而產(chǎn)生鐵損耗導(dǎo)致保護(hù)套發(fā)熱。同理，由于磁鋼也有一定的導(dǎo)電性，也會(huì)在磁鋼中產(chǎn)生渦流導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)熱。 齒槽效應(yīng)引起的轉(zhuǎn)子鐵損耗稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的理想氣隙磁密波形為方波如圖26所示，然而由于齒槽效應(yīng)的影響造成了實(shí)際的氣隙磁密波形(如圖27所示)含有大量的高次諧波，轉(zhuǎn)子的保護(hù)套、磁鋼以及磁軛都是由導(dǎo)電材料組成的，高次諧波在穿越這些導(dǎo)電材料時(shí)，在其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生渦流損耗導(dǎo)致轉(zhuǎn)子發(fā)熱。圖26氣隙磁密理想波形 圖27氣隙磁密實(shí)際波形稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損耗在轉(zhuǎn)子各部件的分布情況和削弱方法將在后續(xù)章節(jié)介紹。 本章小結(jié)本章首先介紹了稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，重點(diǎn)介紹了電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器以及控制器三部分，并從換相過(guò)程分析入手對(duì)稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理做了具體的概括。接著對(duì)稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了概述，主要討論了稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電磁設(shè)計(jì)時(shí)主要參數(shù)的選擇方法和原則。最后結(jié)合稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理和電磁設(shè)計(jì)方法對(duì)稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損耗的產(chǎn)生原理進(jìn)行了說(shuō)明。第三章 稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子鐵損耗的理論分析本章結(jié)合麥克斯韋(Maxwell)方程和加權(quán)余量技術(shù)，對(duì)稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損耗分析方法進(jìn)行研究，通過(guò)解析法計(jì)算了轉(zhuǎn)子的鐵損耗值。 麥克斯韋方程麥克斯韋(,18311879)，蘇格蘭物理學(xué)家。他對(duì)人類最偉大的貢獻(xiàn)就是系統(tǒng)的總結(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)典之作(A treatise on electricity and magnetism )奠定了經(jīng)典電磁學(xué)的理論基礎(chǔ)。常用的各種計(jì)算磁鋼鐵損耗的方法和制約方程，均可以通過(guò)麥克斯韋方程導(dǎo)出，引入適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件、規(guī)范、以及場(chǎng)源配置的信息構(gòu)成定解問(wèn)題。所采用的狀態(tài)變量可以是待求的場(chǎng)量，如E、H，也可以是矢量(vector potential)和標(biāo)量(scalar potential)，或者它們的組合[28]。在計(jì)算稀土永磁無(wú)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 equation][29]。 (31) (32) 轉(zhuǎn)子鐵損耗的計(jì)算方法稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損耗可以通過(guò)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。 Steinmetz法稀土永磁無(wú)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(guò)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： (33)式(33)中的和表示為磁密的有效值和最大值以及頻率的關(guān)系[3031]。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(33)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(guò)變頻的方法把磁滯損耗和渦流損耗分離[3233]。文獻(xiàn)[28]指出了磁場(chǎng)淺透入深度與材料厚度的要求，以Problem21[31]模型中采用A3鋼為例，電導(dǎo)率為，其透入深度按式(34)計(jì)算。 (34)式中：——磁場(chǎng)的交變頻率；——材料的相對(duì)磁導(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(lái)，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。 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31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(guò)二階Maxwell方程計(jì)算得到。圖31磁鋼截面圖 (35)式(35)應(yīng)用于圖31中的虛擬閉合回路C時(shí)，需要做如下假設(shè)：；，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；；，認(rèn)為磁密在有限圓周方向?qū)挾确秶鷥?nèi)是恒定的，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： (36) (37)注：——電場(chǎng)強(qiáng)度；——電流密度； ——永磁體的電阻率。 (38)由以上分析，轉(zhuǎn)子磁鋼分塊時(shí)，每單元鐵損耗可以通過(guò)計(jì)算下式得到： (39)文獻(xiàn)[3536]指出通過(guò)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(wú)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(wèn)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)大于定子繞組空間諧波引起的鐵損耗。所以磁密可以通過(guò)下式表示： (310)式中：表示轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù)，和是時(shí)間的函數(shù)。圖32 兩對(duì)極REPM截面圖在磁鋼分塊的情況下如圖32所示，磁密在有限寬度范圍內(nèi)可以認(rèn)為是恒定的，所以第塊小磁鋼的鐵損耗為： (311)將塊小磁鋼的鐵損耗求和就得到了磁鋼的總損耗： (312)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； ——?dú)庀栋霃剑? ——轉(zhuǎn)子軸向長(zhǎng)度； 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(guò)理論分析通過(guò)式(312)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(guò)文獻(xiàn)[3739]給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(guò)下式計(jì)算得到： (313) (314)結(jié)合式312和314可以看出，無(wú)論是用轉(zhuǎn)子鐵損耗的分塊解析法還是轉(zhuǎn)子鐵損耗的未分塊解析法計(jì)算樣機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵損耗，這兩種方法的核心都是要通過(guò)某種方法得到轉(zhuǎn)子部件某一位置在某一個(gè)特定時(shí)間段內(nèi)磁密隨時(shí)間的變化率。式312和314主要采用解析法得到其變化率，精度上較為難以保證，因此本文擬采用有限元法求出轉(zhuǎn)子部件某一位置在某一個(gè)特定時(shí)間段內(nèi)磁密隨時(shí)間的變化率，然后結(jié)合式312和314計(jì)算轉(zhuǎn)子的鐵損耗，這兩種改進(jìn)的計(jì)算轉(zhuǎn)子鐵損耗的方法在文中暫且稱為結(jié)合有限元的轉(zhuǎn)子鐵損耗分塊解析法和結(jié)合有限元的轉(zhuǎn)子鐵損耗未分塊解析法。 電磁場(chǎng)分析軟件Magnet簡(jiǎn)介低頻電磁場(chǎng)分析軟件Magnet是加拿大Infolytica公司的四個(gè)主要軟件包之一。1978年以來(lái)至今，Magnet作為第一個(gè)電磁場(chǎng)分析軟件，在低頻電磁場(chǎng)仿真分析領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。該軟件已經(jīng)幫助了世界范圍內(nèi)的眾多工程師以及設(shè)計(jì)者對(duì)其設(shè)備進(jìn)行精確的電磁場(chǎng)仿真分析[40]。軟件的特點(diǎn)主要有以下幾個(gè)方面：，容易