磁鋼的渦流損耗對永磁電機的轉子溫升影響

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引言


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


1 轉子結構

REPMSM的定子取異步電機的定子,它的結構一般指轉子的結構。異步起動REPMSM的轉子由鼠籠條、轉軸、轉子鐵心和永磁體組成,轉子鐵心由沖片疊壓而成,并在轉子鐵心內填入釹鐵硼永磁體,同時鑄鋁形成鼠籠,如圖1所示。其起動過程同異步電機,當定子電樞繞組中通人三相對稱交流電時,形成圓形旋轉磁場,此時轉子靜止,轉子鼠籠切割磁力線,并感應出交流電形成交變磁場,與定子磁場作用,轉子開始轉動。當轉子轉速接近同步轉速時,鼠籠條中不再產生感應電流,而是永磁體形成的恒定磁場與定子磁場同步旋轉,進入正常運行。

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圖1 轉子結構意圖


2 轉子溫升產生原因


電機運行時的發熱,均來自于電機的損耗。REPMSM同步運行時,轉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,具有一定的導電性,會在交變磁場中產生渦流損耗。釹鐵硼的導熱率為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,加劇了轉子的溫升。


2.2 諧波損耗受齒槽效應、定子磁場等因素影響,電機氣隙中的諧波磁場很復雜。氣隙中的諧波磁場以不同的速度相對于轉子運動,在轉子鐵心和鼠籠條中感應電流,從而產生諧波損耗,使轉子溫度升高。


3 降低溫升的措施


由上述分析,提出相應解決方法如下。


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小段或多個層,如圖2。并且對永磁體段(層)表面進行電泳處理,以減小渦流損耗,降低轉子溫升。


3.2)增大氣隙:對于異步電機,增大氣隙會增大漏磁,使勵磁電流增大,效率降低。而對于稀土永磁同步電機,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)轉子采用半閉El槽或閉口槽:這樣可以減少轉子鐵心表面損耗和齒內脈振損耗,并使有效氣隙長度減小,改善功率因數,同時降低氣隙磁導諧波的脈振幅值,減小磁導諧波引起的諧波損耗。


3.4)選取適當的槽配合:諧波次數越低,轉子槽數越多,損耗就越大;定、轉子槽數比接近于1時,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)選用高質量釹鐵硼永磁體:在實際應用中發現,不同廠家生產的同牌號釹鐵硼永磁體性能有較大差異。釹鐵硼牌號不同,產生的渦流損耗大小不同,并且導熱率也有所差異。選擇導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,從而降低轉子溫升。

4 樣機轉子溫升的改善措施及效果


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

5 結語


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

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