表贴式稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗研究毕业论文

. . . . 题目表贴式稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗研究47 / 58摘要本论文重点针对表贴式稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗分析方法进行研究。应用在航空领域上的稀土永磁无刷直流电动机正在向高功率密度，高转速方向发展，传统理论认为无刷直流电动机的转子不存在铁损耗已经不再适用。尤其是当电机在高功率等级、高速运行时，这部分铁损耗会导致转子升温，磁钢失磁，严重影响电机的整体运行性能。随着数值分析方法的发展和计算机技术的兴起，目前正逐步形成以解析计算为基础，结合有限元分析为主要手段的无刷直流电动机转子铁损耗分析方法。在无刷直流电动机的转子铁损耗理论分析方面，首先对比了三种主要的分析方法：Steinmetz法、转子磁钢的分块解析法和转子磁钢的未分块解析法的优缺点，分析、改进并给出了适合于高功率密度、高速无刷直流电机的转子铁损耗分析方法：结合有限元的转子磁钢分块解析法和结合有限元的转子磁钢未分块解析法。在无刷直流电动机的运行原理和转子铁损耗产生原理的基础上，探索性地研究了无刷直流电动机的转子铁损耗分离试验，完善了试验方案，通过对比分析了样机的试验数据和通过解析法计算的结果。通过有限元法建立了样机的二维模型，对比分析了转子的铁损耗在空载和负载、转子保护套采用不同材料以与转子磁钢在不同分块数情况下的铁损耗值。仿真分析结果表明采用高电阻率材料作为转子保护套、转子保护套外附着高电导率电磁屏蔽层、转子磁钢采用分块结构能够有效地减小转子的铁损耗。关键字：无刷直流电动机，转子铁损耗，解析法，有限元，试验设计AbstractThe paper emphasizes on the analysis of the rotor iron loss for surface-mounted rare earth permanent magnet Brushless DC motor (REPM BLDCM). Trending for higher power density and speed in aviation products of BLDCM, it has been inapplicable of the conventional theory, denying the existence of iron loss which causes temp raise of the rotor, loss of field magnet, severe affection on the overall performance especially when operating in condition of high power and speed. With development of numeral analysis and computer technology, an analytical method of the rotor iron loss of BLDCM, based on analytical calculation combined with finite element analysis (FEA), is gradually forming.In the respect of theoretical analysis of the rotor iron loss for BLDCM, the paper illustrates comparatively the pros and cons of three major methods (Steinmetz method, sub-block and non-sub-block analytical method of the rotor magnet), proposes the sub-block and non-sub-block analytical method on finite element of the rotor magnet suitable for high power and high speed uses.Based on the principles of the BLDCM and causes of the rotor iron loss, the paper explores the separation test, perfects the testing program and compares the results with the former analytical data.The two-dimensional model of the prototype is built using FEA, and Iron loss is analyzed comparatively under conditions of load and non-load, different materials of the rotor protection cover, and various block numbers of the rotor magnet. The simulation shows that iron loss can be effectively reduced, where high resistivity material being the stator protection cover with high conductivity electromagnetic shielding layer attached exteriorly and adopting block structure of the stator magnet.Key words: BLDCM, iron loss, analytical method, FEA (Finite Element Analysis), Experimental Design目录摘要IAbstractIII目录V第一章绪论11.1 研究背景11.2 研究目的和意义21.3 国外研究现状31.4 本文的主要研究容以与论文结构5第二章稀土永磁无刷直流电动机的工作原理以与电磁设计概述72.1稀土永磁无刷直流电动机的工作原理72.2 稀土永磁无刷直流电动机的电磁设计概述102.2.1主要尺寸的确定102.2.2 相数、槽数、极对数的选择112.2.3 永磁体的选择和设计122.3 稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗产生原理132.3.1 定转子磁场不同步引起的转子铁损耗132.3.2 齿槽效应引起的转子铁损耗132.4 本章小结14第三章稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的理论分析153.1 麦克斯韦方程153.2 转子铁损耗的计算方法153.2.1 Steinmetz法153.2.2 转子磁钢的分块解析法163.2.3 转子磁钢的未分块解析法183.3 电磁场分析软件Magnet简介193.4 3.5kW稀土永磁无刷直流电动机电磁场分析193.4.1 前处理203.4.2 求解273.4.3 后处理283.5 3.5kW稀土永磁无刷直流电动机电磁场分析结果283.5.1 静态磁场283.5.2 空载运行特性293.5.3 负载运行特性303.6 3.5kW稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗计算结果313.7 本章小结32第四章稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的试验分析334.1 转子铁损耗分离试验原理334.2 转子铁损耗的试验验证344.2.1 转子铁损耗分离试验步骤344.2.2 转子铁损耗分离试验结果364.2.3 转子铁损耗分离试验结果分析374.3 转子铁损耗分离试验结果误差分析384.4 本章小结39第五章稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的仿真分析415.1 转子铁损耗的有限元分析415.1.1 空载运行仿真结果415.1.2 负载运行仿真结果425.1.3 磁密随时间变化仿真结果435.2 空载和负载两种不同情况对转子铁损耗的影响445.3 转子保护套不同材料对转子铁损耗的影响455.4 转子磁钢分块不同情况对转子铁损耗的影响465.5 本章小结47第六章全文工作总结与后续工作展望496.1 全文工作总结496.2 后续工作展望50参考文献51第一章 绪论本章主要介绍表贴式稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的研究背景、研究意义和研究目的、以与国外研究现状。最后，叙述了本论文的主要研究容以与论文的结构安排。1.1 研究背景稀土永磁无刷直流电动机是随着电力电子技术迅速发展起来的一种新型直流电动机，它是现代工业设备中重要的运动部件。稀土永磁无刷直流电动机以电磁感应定律为基础，以新兴的电力电子技术、数字电路技术和计算机技术为后盾，具有很强的生命力1。稀土永磁无刷直流电动机最大的特点是用电子换相装置代替了直流电动机的换向器和电刷组成的机械接触机构，解决了直流电动机的换向火花问题，同时又保留了直流电动机的优良特性2。它既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便的优点，又具有直流电动机起动转矩大，调速性能好的优点。此外，其转速不受机械换向的限制，如采用新式轴承或空气轴承，可以实现每分钟几万转的超高速运行。在民用领域稀土永磁无刷直流电动机不仅可以作为一般的直流电动机，伺服电机以与力矩电机使用，而且是新型电力机车牵引电机，电动汽车等新兴领域的核心技术之一。在航空航天领域不仅要求电动机要有足够的驱动力，而且体积要小。稀土永磁无刷直流电动机与传统的电机相比具有功率密度高、控制特性好、在线检测信息更丰富等特点，其应用广泛，如飞机螺旋桨驱动电机，燃油泵驱动电机，雷达天线驱动电机，导弹舵机电机驱动系统以与卫星天线展开机构电机驱动系统等。稀土永磁无刷直流电动机作为新型电机，1983年问世的高性能永磁材料钕铁硼为其应用奠定了坚实的基础3。稀土永磁材料具有高剩磁和高磁能积，可以产生很高的气隙磁通，大大缩小了转子磁钢的外径，从而减小了电动机的转动惯量，降低了电动机的时间常数，改善了电动机的动态响应性能。稀土永磁材料的高矫顽力使得气隙磁场近似矩形分布，电枢反应对稀土永磁材料的去磁作用较小，使绕组电感降低，有利于稀土永磁无刷直流电机的运行，提高了电磁转矩的平稳性。因此稀土永磁无刷直流电动机更适合于高速、突然反转、堵转驱动等特殊运行场合的性能要求。目前随着大功率集成器件、专用集成电路、新型控制理论以与材料技术的发展，使得减小电动机和驱动器体积重量，提高电动机功率密度，改善系统的整体性能方面有了明显的进展。但由于稀土永磁无刷直流电动机在我国的应用才刚刚开始，目前还存在很多问题，如稀土永磁无刷直流电动机的优化设计方法，新型控制理论尚待完善；稀土永磁无刷直流电动机的齿槽效应、饱和效应、漏磁以与逆变器的输出谐波分量必须要经过相关的技术验证予以减弱；尤其是在电机高速运行时产生的各种损耗，部分通过热传递和热辐射散失，其余的则会引起电机的局部温升，严重影响电机的效率和运行安全。作为稀土资源第一大国，我们要把这种潜在的优势转化为现实的生产力，大力推广我国高效能稀土永磁无刷直流电动机的应用，深入研究高效稀土永磁无刷直流电动机的理论分析方法，对我国国防现代化和工业现代化建设具有重大现实意义和重要的理论价值。1.2 研究目的和意义随着电力电子技术、新型电磁材料以与控制技术的发展，稀土永磁无刷直流电动机在航空工业、国防工业等方面的应用越来越广泛。与普通电机不同，稀土永磁无刷直流电动机部电磁场能量密度较高，电机漏磁、齿槽效应、涡流效应与饱和效应等尤其突出，而且逆变器输出谐波分量的存在使稀土永磁无刷直流电动机部电磁场分布更加复杂，严重影响电机的效率提升。应用在航空领域上的稀土永磁无刷直流电动机功率密度和电磁密度更高，当电机高速运行时，由此引起的电机漏磁、齿槽效应、涡流与饱和效应等对电机的性能影响就显得尤其突出。传统理论认为无刷直流电动机的转子磁场与定子磁场同步旋转，转子中不存在铁损耗，计算电机损耗时只需计算定子铁损耗与铜损耗。但是，在某台稀土永磁无刷直流电动机样机的负载温升实验中，埋在转子铁心中的温度传感器测得的温度比埋在定子绕组端部的温度传感器测得的温度高，这说明在转子铁心中也存在铁损耗导致转子部分发热。深入的研究转子铁损耗产生的原因，转子铁损耗的定量计算和削弱方法，以与稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的试验方法，成为本文的研究的关键。随着稀土永磁无刷直流电机技术的不断发展，以与其在军品和民品的广泛应用，如何准确地确定转子中的铁损耗总量和分布在无刷直流电机的新品研发、设计和运行中的重要性显得日益突出。用仿真和试验的方法去研究转子铁损耗是电机工程中的一个困难问题，近年来，关于无刷直流电动机转子铁损耗的研究在国外有一定的数量的文章发表，但大都侧重于仿真分析，对于损耗测量方法的研究查到的文献却很少，但测量和计算的结果验证对于转子铁损耗的定量研究是必须的4。传统的分析转子铁损耗的思路如下，首先通过电机的结构参数和性能指标建立样机的分析模型，然后通过Maxwell方程建立样机的数学模型，最后通过相关的数学模型计算出样机气隙磁密以与相关参数。然而分析模型的建立需要许多经验参数的选择，如果参数选取不当将对转子铁损耗分析结果产生很大影响，加上稀土永磁无刷直流电动机高功率密度带来的电枢反应和磁场饱和度的影响，采用传统方法对转子的铁损耗进行分析，不仅分析结果存在很大误差，而且需要耗费大量的时间在模型的建立与公式的推导上。这种不合理的情况主要源于分析工具和分析方法的落后，为了缩短理论推导时间，减少研究成本，分析者需要方便有效的软件来进行辅助分析，改善分析方法。电机的磁场数值辅助分析方法包括有限元法、有限差分法、边界单元法，目前应用最广泛的是有限法3。有限元法电磁场数值计算作为电机CAD的一个高级分析手段是在20世纪60年代应用于电机工程领域的，其突出的优点是模型建立简单，适用于具有复杂边界形状或边界条件、含有复杂媒质的定解问题，分析过程易于实现标准化，仿真结果精确以与后处理功能强大，利用有限元软件进行辅助分析，可以弥补理论分析考虑不准确的缺点。本文的研究对于稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗产生原因，分布情况以与削弱方法有着重要的意义，可以为提升稀土永磁无刷直流电动机的运行效率提供参考方法，为无刷直流电动机的转子铁损耗进一步研究提供理论依据。再者，从实际应用效果来看，本文的研究结果对与稀土永磁无刷直流电动机在军用和民用领域中的广泛应用将起到促进作用，具有潜在的社会效益和经济价值。1.3 国外研究现状国外相关学者对于稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的研究和分析做了大量的研究工作，得到了许多有指导意义的研究成果。在稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的研究方面，国的许多学者从不同方面提出了各自的见解。大学的建新教授对于高速永磁无刷直流电动机的拓扑结构和材料的选择进行了研究5，研究表明采用2极6槽集中绕组定子结构不仅能够减小转子的涡流损耗,而且能够减小定子绕组的端部长度和转子的轴向长度,并且可以提高转子高速运行时的机械强度。用坡莫合金代替常用的硅钢片,能有效地减小定转子铁耗。转子采用铜屏蔽环结构能够有效地减小转子涡流损耗,降低转子的运行温度,确保电机部在不采用任何冷却方法的情况下,永磁体不会过热去磁。大学的周凤争博士针对转子涡流损耗在高速电机中比较严重的问题,通过有限元法分析研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响6-8。分析表明:当永磁体周向宽度小于谐波磁场在永磁体中的透入深度时,永磁体分块能有效地减小永磁体中的涡流损耗；反之，永磁体分块会使永磁体中的涡流损耗增加。利用涡流磁场的屏蔽作用，在转子保护套和永磁体之间增加高电导率的铜屏蔽层。尽管铜屏蔽层中会产生涡流损耗，但该涡流产生的磁场抵消了气隙磁场的谐波分量，使永磁体、转子铁心以与保护套中的损耗显著减小，整体上降低了转子涡流损耗 。交通大学的志珍博士利用解析法计算了任意形状钢板的涡流损耗9，采用双重傅里叶变换对任意形状薄钢板表面法向磁密进行数值逼近，待定系数用遗传算法结合Powell优化法确定，然后用解析公式计算涡流分布与损耗大小，作者认为这种方法同样适用于稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的分析研究。工业大学的王云天对永磁电机的转子铁损耗进行了实验研究10，研究结果表明，转损耗对无刷直流电机的运行性能影响很大，可以造成磁钢去磁，电机性能改变，同时可以减小轴承的使用寿命。对于变频电源供电的无刷直流电机，当变频电源输出的电压谐波含量较大时，定子绕组的谐波电流在转子中引起的涡流损耗是不可以忽略的。为了减小涡流损耗，应降低电源的电压谐波分量，同时可以采用导电性能差的粘滞磁钢。这些分析方法对于稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗的研究起到了很大的促进作用。近年来，随着计算机技术的发展，CAD技术已经成为当代工业和科技的基本支撑技术。西北工业大学稀土永磁电机与其控制技术研究所是国最早从事稀土永磁电机研究开发的单位之一，近年来结合有限元法在电机的电磁场数值计算方面得到了大量的研究成果11-15。在稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的研究方面，国外的学者也做了许多的研究，得到了大量有指导意义的研究成果。1971年，Winslow、Chari和Silvester等人把有限元法（Finite Element Method）用于电磁场计算16-18，这是电磁场计算的一个重要转折点，一系列的电磁场数值计算理论分析和计算方法的文章涌现出来。这之后的一段时期取得了许多突破性的成果，如网格的自动生成，有限元误差估计和网格的自适应剖分，二维、三维静磁场和涡流场的计算以与求解电磁场大型方程组的方法19。结合有限元法，文献20通过数值分析法研究了永磁同步电机转子铁损耗在空载和负载时的分布情况，研究结果表明永磁同步电机的转子铁损耗在负载时的值要远高于空载时的值。文献21-22通过改进的无刷直流电机数学模型，用有限元法和解析法分析了定子绕组齿槽效应以与时间谐波分量对转子铁损耗产生的影响。解析法分析结果与有限元法分析结果吻合，证明了作者提出的无刷直流电机数学模型在分析转子铁损耗方面是有效的。文献23研究了5Kw，150,000rpm机床用超高速永磁无刷电机，文章指出由于齿槽效应的影响，引起了电机设计时气隙长度的增加；为了研究转子保护套的铁损耗，作者研究了转子保护套具有不同厚度的多台样机，实验证明，在较宽速度围样机的效率是可以保持在90%以上的。文献24指出由于定子磁动势与转子磁动势之间的相对运动造成了转子部分具有明显的铁损耗，作者提出了稀土永磁无刷直流电动机新型分析模型用于分析转子的铁损耗，研究结果表明，对转子磁钢的进行均匀分块能够有效的减小转子的铁损耗。1.4 本文的主要研究容以与论文结构本文针对表贴式稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗，以理论分析为基础，利用有限元分析软件建立样机的二维电磁场分析模型，研究表贴式稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗在空载和负载不同运行情况下，转子保护套采用不同材料以与转子磁钢不同分块数目情况下，转子铁损耗的大小与其分布情况。最后设计了转子铁损耗的分离试验，试验结果与数值计算和仿真分析进行了对比。本文具体分六章对表贴式稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗进行研究，其结构如下：第一章 首先概述了表贴式稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的研究背景，紧接着对本文研究的意义和研究目的作了深刻的分析，然后介绍了稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的国外研究现状，最后介绍了本文研究的主要容以与论文结构第二章 首先介绍了稀土永磁无刷直流电动机的结构特点，接着从稀土永磁无刷电机的换相过程分析入手对其工作原理做了具体的概括，然后对稀土永磁无刷直流电动机的电磁设计方法进行了简要的探讨，对传统磁路计算法与电磁场有限元辅助设计法进行了对比研究，最后结合无刷直流电机的运行原理和电磁场设计方法阐述了无刷直流电动机的转子铁损耗产生原理。第三章 首先结合稀土永磁无刷直流电动机的运行特点，以电磁数值计算Maxwell方程为基础阐述了转子铁损耗的三种分析方法，然后以上述三种转子铁损耗的分析方法为基础，结合有限元法改进了后两种转子铁损耗的分析方法，最后以上述两种改进的转子铁损耗分析方法为基础，计算出了3.5kW表贴式稀土永磁无刷直流电动机样机的转子铁损耗大小。第四章 首先阐述了稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗进行分离试验原理，详细阐述了设计试验步骤，接着通过对拖试验测得了转子铁损耗的相关数据，然后通过后期的数据处理得到了转子铁损耗的实测值，最后对转子铁损耗的分离试验结果进行了误差分析和总结。第五章 结合有限元分析软件Magnet，建立了样机的二维电磁场分析模型。首先分析了转子的铁损耗在空载和负载时的转子铁损耗和分布情况，接着分析了转子保护套采用不同材料时，转子的铁损耗大小与其分布情况，然后分析了转子不同磁钢时，转子的铁损耗的大小与其分布情况，最后以上述仿真结果为基础，提出了转子铁损耗的削弱方法以与可以削弱转子铁损耗的理想转子结构。第六章 对本文的研究容、研究工作与取得的研究成果做了总结，并对未来的工作做出了展望。第二章 稀土永磁无刷直流电动机的工作原理以与电磁设计概述稀土永磁无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，其涉与材料科学、电力电子技术、计算机技术等多门学科领域。相关行业的技术进步为稀土永磁无刷直流电机性能的提高提供了强大支持，使稀土永磁无刷直流电动机朝着数字化、智能化与多功能一体化的方向发展，其应用领域也不断拓宽。本章对稀土永磁无刷直流电动机的基本结构以与工作原理进行了总结和概括，并对稀土永磁无刷直流电动机的电磁设计方法进行了概述，为后续章节转子铁损耗的分析研究打下基础。2.1稀土永磁无刷直流电动机的工作原理稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、控制器和转子位置传感器三部分，结构框图如图2-1所示25-26。图2-1 稀土永磁无刷直流电动机结构框图1.电动机本体稀土永磁无刷直流电动机的结构与稀土永磁同步电动机相似，定子铁心中放置绕组，转子上有稀土永磁磁极。由于稀土永磁无刷直流电动机应用场合的多样性，其定、转子结构比稀土永磁同步电动机更加多样化，常见的定子结构有三种，如图2-2(a)、(b)和(c)所示。图(a)所示转子极数与定子齿槽之比为2/3，相绕组线圈绕在一个定子齿上，每对磁极下有三个定子齿。这种结构的优点是绕组端部尺寸小，绕组利用率高。缺点是相绕组不能与全部转子磁场耦合，永磁体利用率低。图(b)为无齿槽结构，定子绕组均匀分布于定子铁心表面的气隙中。这种结构由于电机没有定子齿，不产生齿槽转矩，非常适合于对转速稳定性和振动、噪声要求较高的场合。这种结构的缺点是绕组部散热能力差，温升高；电机的有效气隙为转子表面到定子铁心圆的距离，远大于普通电机的有效气隙，气隙磁密低，为获得较高的气隙磁密，需增大永磁体厚度，使电机成本增加。图(c)为整数槽结构，每极每相槽数q为整数,定子绕组为多层叠绕组或者单层同心式绕组。该结构形式在无刷直流电动机中广泛应用25。常见的转子结构也有三种如图2-3(a)、(b)和(c)所示。图2-3(a)为在转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体；图2-3(b)为在转子铁心中嵌入矩形板状稀土永磁体。这两种结构在高速运行的转子外径套有0.30.8mm的紧圈，防止工作时离心力将永磁体甩出，同时在盐雾等恶劣环境中对永磁体起保护作用。保护套材料通常用不导磁不锈钢、铝或环氧无纬玻璃丝带缚扎。图2-2(c)为在转子铁心外套一个整体粘结稀土磁环，适于体积和功率较小的稀土永磁无刷直流电动机，该结构转子制造工艺性好26。(a) (b) (c)图2-2 定子结构形式(a)分数槽结构；(b)无槽结构；(c)整数槽结构(a) (b) (c)图 2-3 转子结构图(a)瓦片形磁体径向磁化；(b)矩形永磁体切向磁化；(c)环形永磁体径向磁化1-紧圈；2-稀土永磁体；3-铁心；4-转轴2.位置传感器转子位置传感器是稀土永磁无刷直流电动机的重要部件，其作用是检测转子位置以获得转子位置信息，经过逻辑处理产生相应的逆变器输入信号。转子位置传感器由传感器转子和传感器定子两部分组成，其中传感器转子与电机转子同轴联接，二者同步旋转；传感器定子固定在电动机定子或者端盖上，以检测和输出转子位置信号。转子位置传感器主要有磁敏式、光电式、接近开关式、旋转编码器等等。3.控制器控制器用来控制电动机定子各相绕组通电顺序和时间，主要由逆变器和数字信号处理单元两个部分组成。逆变器是控制器的核心，主要作用是根据转子位置信号适时的给定子各相绕组通电，以使电动机产生连续的驱动转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。数字信号处理单元主要是用来对转子位置传感器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停机信号进行逻辑处理和综合。为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转与停机控制以与过压与过流保护。稀土永磁无刷直流电动机工作原理如图2-4所示。图2-4 稀土永磁无刷直流电动机工作原理如图2-4所示，控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。下面以二相导通星形三相六状态无刷直流电动机为例来说明其工作原理。当转子稀土永磁体位于图2-5(a)所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管V1、V2导通，即绕组A、B通电，A进B出，电枢绕组在空间的合成磁势Fa，如图2-5(a)所示。此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极V1管A相绕组B相绕组V6管电源负极。当转子转过60度电角度，到达图2-5(b)中位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管V6截止，V2导通，此时V1仍导通。则绕组A、C通电，A进C出，电枢绕组在空间合成磁场如图2-4(b)中Fa。此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极V1管A相绕组C相绕组V2管电源负极，依次类推。当转子继续沿顺时针每转过60度电角度时，功率开关管的导通逻辑为V3V2V3V4V5V4V5V6V1V6，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。在图2-5(a)到(b)的60度电角围，转子磁场顺时针连续转动，而定子合(a) (b)图2-5 稀土用磁无刷直流电动机工作原理示意图成磁场在空间保持图2-5(a)中的位置不动，只有当转子磁场转够60度电角度到达图2-5(b)中的位置时，定子合成磁场才从图2-5(a)中位置顺时针跃变至2-5(b)中的位置。可见定子磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是60度电角度。当转子每转过60度电角度时，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。可见，电机有6个磁状态，每一状态都是两相导通，每相绕组中流过电流的时间相当于转子旋转120度电角，每个开关管的导通角为120度，故该逆变器为120度导通型26。2.2 稀土永磁无刷直流电动机的电磁设计概述稀土永磁无刷直流电动机本体设计主要包括电机结构样式的选择、电磁设计、热计算、机械结构设计、冷却、噪声等分析计算，涉与多方面知识，往往一个电机的设计需要经过不断反复修正计算才能得到比较合理的方案，其设计步骤如下：首先确定电机的结构形式，然后进行电机的电磁设计，再根据所设计的结果进行分析、验算设计的合理性并提出可能的调整方案，最后根据确定的电磁设计参数进行机械结构设计，电磁设计是其中最主要的方面。电磁设计主要是根据给定的额定值和技术性能要求，选用合理的电枢绕组、电子换向线路的组合方式和电机材料，确定电动机各部分的尺寸，并计算其性能，以满足用料省、制造方便、性能好、经济效益高等要求。以下对稀土永磁无刷直流电动机的电磁设计进行概述，主要讨论电磁设计中主要参数的选择。2.2.1主要尺寸的确定经过合理的设计，稀土永磁无刷直流电动机与传统的无刷直流电动机相比具有高功率密度特性。高功率密度电机需要解决发热和散热问题，对于稀土永磁无刷直流电动机而言，电机的损耗主要包括定子铜耗，定子铁耗，转子铁耗，杂散损耗，机械损耗，功率管损耗等等，如果有些参数设计不合理会导致这些损耗引起的热量在电机部分布不均，引起局部过热，轻则电机效率降低，严重的可能会对电机造成永久损坏。稀土永磁无刷直流电动机的主要尺寸通过以下公式(2-1)确定： (2-1)其中：为计算极弧系数，为电枢直径，为电枢长度，为计算功率，为电负荷，为磁负荷，为额定转速。由式(2-1)可知，当电机的额定功率，额定转速确定时，电机主要尺寸大小取决于电机电磁负荷的选择。电机电磁负荷越高，电机的主要尺寸就越小，重量就越轻，功率密度也就越高。从电机设计角度来说，要实现高功率密度，应选用导磁性能好的材料，以提高磁负荷；在保证绝缘的条件下，选择耐高温的绝缘材料，可以提高电机的热负荷。因此，的选择要根据具体性能指标、运行环境、温度和体积等因素综合考虑，电机的电负荷和磁负荷好的配合是电机设计的关键。当电机材料选定后，电机的铁耗随着磁负荷的增加而增加，而铜耗与电负荷和电流密度的乘积成正比，铜耗与铁耗直接影响到电机的发热和温升。所以增大电磁负荷，虽然可以减小电机的体积尺寸，但当电磁负荷超过一定值或选取不恰当时，电机铜耗、铁耗会相应增加，电机效率降低，从而影响电机的参数、起动和运行性能。电磁负荷的提高使电机尺寸缩小后，定转子表面单位面积损耗将增高，从而使电机温度升高。因此，实际设计过程中，应综合考虑电机的功耗和体积，合理选择电机的电磁负荷。在乘积一定的情况下，还应考虑和比例关系。由于电机的电抗电势正比于电负荷，所以一般选用较小的和较大的，以改善换向性能。同时，的减小也可以使电枢用铜量降低，与的比例关系与铜、铁所占比重有密切关系，对于低速电机，铁耗较小，可以选的较大；对于高速电机，铁耗较大，就不宜太大26。2.2.2 相数、槽数、极对数的选择1.相数的选择稀土永磁无刷直流电动机的相数的选择需要考虑如下因素：绕组的利用程度、主功率电路的复杂程度以与转矩脉动。稀土永磁无刷直流电动机运行时，各相绕组依次通电产生电磁转矩，同一时刻并不是所有的相绕组对电磁转矩都做出贡献，因此相绕组越多，其利用率就越低。同时相绕组越多，控制系统主功率电路的开关器件个数相应的增加，主功率电路的复杂程度和和成本将会上升。然而在相数较多时，电机的转矩脉动却会相应的减小，所以在电机稳定度要求较高时，可以通过增加相数去削弱转矩脉动。2.槽数的选择通常来说，采用整距集中绕组的稀土永磁无刷直流电动机，其槽数为相数和极对数的整数倍。随着电机功率等级的增加以与特殊结构电机的应用，为了改善电机性能，分数槽绕组得到了广泛应用。应用分数槽绕组时，只要绕组对称就能保证各相绕组产生的电磁转矩对称。3.极对数的选择稀土永磁无刷直流电动机的极对数的选择需要考虑如下因素：材料的利用率和电机的效率。若电机的气隙磁密和电枢直径不变，那么电机总的气隙磁通保持不变。如果电机极对数增加，则每极磁通减少，可以有效的减小电枢重量和和轭部厚度，因而节约了电机的用铜量，减小了电机重量，所以低速运行的无刷直流电动机极对数通常较多。再者极对数增加，电枢绕组电感减小，对换相有利。然而随着电机极对数的增加，铁心磁场交变频率升高，铁耗和控制器换相损耗将会增加。2.2.3 永磁体的选择和设计稀土永磁无刷直流电动机的结构和主要尺寸的比例关系主要决定于永磁体的材料性能，例如铝镍钴合金永磁材料，由于剩余磁通密度较大而矫顽力较小，因此磁钢的截面积可以缩小，而长度应增加；铁氧体则与此刚好相反。采用性能优异的稀土永磁材料后，其磁钢截面与长度都可以缩小，从而使得整个电动机的体积也缩小。当前常用的稀土永磁材料主要有钐钴永磁材料和钕铁硼永磁材料，这两种永磁材料又分别有烧结式和粘结式之分，一般烧结式永磁材料在同等条件下可以产生比粘结式永磁材料高的气隙磁感应强度，适合于高磁负荷的电机，烧结式永磁材料产生的气隙磁感应强度一般可以达到0.550.7T，有的可以达到0.70.9T；粘结式永磁材料性能相比来说较低，一般气隙磁场在0.350.45T之间。粘结式永磁材料的一个优点就是加工工艺简单，可以根据需要制成各种形状的永磁体，适合于大批量生产。设计稀土永磁无刷直流电动机的永磁体，主要是确定其磁化方向和横截面积，以确定永磁体的去磁曲线的坐标值。由于各类永磁体的性能不同，各种励磁方式的永磁体形状不同，较难找到永磁体尺寸与技术指标之间准确的对应关系。通常的方法是先按设计要求，根据经验预取一个尺寸，进过磁路计算求出其工作点，根据磁路各部分的饱和情况和工作点的大小，对永磁体尺寸进行调整，或进过电路计算和性能计算后，对永磁体尺寸进行在调整，直到满意为止。2.3 稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗产生原理2.3.1 定转子磁场不同步引起的转子铁损耗1.转子轭由本章2.1节稀土永磁无刷直流电动机的工作原理可知，稀土永磁无刷直流电动机的转子磁场是连续旋转磁场，而定子电枢磁场在空间不是连续旋转磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是60电角。在定子电枢磁场跳变的60电角围，定子合成磁场在空间保持位置不动，而转子高速旋转，因此定子合成磁场相对于转子轭仍是交变的，根据铁心在交变磁场中产生铁损耗的原理，在转子轭部会有损耗产生并引起转子轭发热。2.磁钢和保护套3.5kW稀土永磁无刷直流电动机的转子采用表贴式径向充磁磁钢结构，其中表贴式磁钢是附在转子轭部表面的，为了防止电机在高速旋转的过程中磁钢的飞散，在磁钢的表面配置了不锈钢紧圈。由于紧圈具有导电性，在随转子旋转时切割定子电枢磁场，在其中会产生涡流，进而产生铁损耗导致保护套发热。同理，由于磁钢也有一定的导电性，也会在磁钢中产生涡流导致转子发热。2.3.2 齿槽效应引起的转子铁损耗稀土永磁无刷直流电动机的理想气隙磁密波形为方波如图2-6所示，然而由于齿槽效应的影响造成了实际的气隙磁密波形(如图2-7所示)含有大量的高次谐波，转子的保护套、磁钢以与磁轭都是由导电材料组成的，高次谐波在穿越这些导电材料时，在其部会产生涡流损耗导致转子发热。图2-6气隙磁密理想波形 图2-7气隙磁密实际波形稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗在转子各部件的分布情况和削弱方法将在后续章节介绍。2.4 本章小结本章首先介绍了稀土永磁无刷直流电动机的结构特点，重点介绍了电动机本体、位置传感器以与控制器三部分，并从换相过程分析入手对稀土永磁无刷直流电动机的工作原理做了具体的概括。接着对稀土永磁无刷直流电动机的电磁设计方法进行了概述，主要讨论了稀土永磁无刷直流电动机电磁设计时主要参数的选择方法和原则。最后结合稀土永磁无刷直流电动机的工作原理和电磁设计方法对稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的产生原理进行了说明。第三章 稀土永磁无刷直流电动机转子铁损耗的理论分析本章结合麦克斯韦(Maxwell)方程和加权余量技术，对稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗分析方法进行研究，结合3.5kW样机的有限元分析结果，通过解析法计算了转子的铁损耗值。3.1 麦克斯韦方程麦克斯韦(J.C.Maxwell,1831-1879)，格兰物理学家。他对人类最伟大的贡献就是系统的总结了电磁现象的基本规律创建了麦克斯韦方程组，他的经典之作(A treatise on electricity and magnetism )奠定了经典电磁学的理论基础。常用的各种计算磁钢铁损耗的方法和制约方程，均可以通过麦克斯韦方程导出，引入适当的边界条件、规、以与场源配置的信息构成定解问题。所采用的状态变量可以是待求的场量，如E、H，也可以是矢量(vector potential)和标量(scalar potential)，或者它们的组合28。在计算稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗时，主要用到麦克斯韦方程的结构方程constitutive equation29。 (3-1) (3-2)3.2 转子铁损耗的计算方法稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗可以通过三种方法计算得到，Steinmetz法，转子磁钢的未分块解析法，转子磁钢的分块解析法。三种分析方法原理如下各节所示。3.2.1Steinmetz法稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗一般包含三个分量：涡流损耗(或称之为(classical eddy current loss)，磁滞损耗(hysteresis loss)，和异常附加损耗(anomalous eddy current loss)。通过试验或者分析的方法把几种损耗分量分离开都是相当困难的。已有的实验研究和分析结果表明：普通钢中的异常附加损耗在总损耗中的比例很小，即，磁滞损耗和涡流损耗是钢中的损耗的主要成分。Steinmetz方程指出铁损耗中主要包括涡流损耗和磁滞损耗两种成分，即： (3-3)式(3-3)中的和表示为磁密的有效值和最大值以与频率的关系30-31。式中：，材料常数；频率； 磁密最大值； 磁密有效值； Steinmetz指数； 材料的厚度。 从式(3-3)中可以看出，磁滞损耗是频率的一次方的函数，涡流损耗是频率的二次方的函数，可以通过变频的方法把磁滞损耗和涡流损耗分离32-33。文献28指出了磁场浅透入深度与材料厚度的要求，以Problem2131模型中采用A3钢为例，电导率为，其透入深度按式(3-4)计算。 (3-4)式中：磁场的交变频率；材料的相对磁导率。 用Steinmetz法计算转子的铁损耗时，优点是可以将涡流损耗和磁滞损耗分离开来，便于实现程序化计算，缺点是要对转子部件分为不同的层分别计算，层数与转速成正比，计算量很大。3.2.2 转子磁钢的分块解析法文献34建立了转子在磁钢分块时的铁损耗模型。图3-1给出了转子的磁钢截面图，x方向为转子圆周方向，z方向为转子轴向方向，电流密度可以通过二阶Maxwell方程计算得到。图3-1磁钢截面图 (3-5)式(3-5)应用于图3-1中的虚拟闭合回路C时，需要做如下假设：1.磁通路径垂直于磁钢表面；2.忽略端部效应，所以铁损耗电流只在z轴起作用，闭合回路C中的x方向在线积分中不起作用；3.磁钢轴向长度远大于圆周方向宽度；4.在磁钢圆周方向宽度足够小的情况下，认为磁密在有限圆周方向宽度围是恒定的，这样电流密度可以被看做关于x轴对称的奇函数，即： (3-6) (3-7)注：电场强度；电流密度； 永磁体的电阻率。 (3-8)由以上分析，转子磁钢分块时，每单元铁损耗可以通过计算下式得到：(3-9)文献35-36指出通过这种方法计算转子磁钢在分块时的铁损耗比计算转子在未分块时的铁损耗要准确。文献34指出在计算表贴式稀土永磁无刷直流电动机的转子铁损耗时，由定子绕组的空间对称性问题和定子冲片齿槽效应引起的转子铁损耗可以忽略不计。文献36指出由于定子绕组的时间谐波电流引起的转子铁损耗远大于定子绕组空间谐波引起的铁损耗。所以磁密可以通过下式表示： (3-10)式中：表示转子极对数，和是时间的函数。图3-2 两对极REPM截面图在磁钢分块的情况下如图3-2所示，磁密在有限宽度围可以认为是恒定的，所以第块小磁钢的铁损耗为：(3-11)将块小磁钢的铁损耗求和就得到了磁钢的总损耗： (3-12)式中：磁密基波初相角；磁钢每单元角度； 倍的； 转子磁钢极对数； 磁钢厚度； 极弧宽度； 气隙半径； 转子轴向长度； 3.2.3 转子磁钢的未分块解析法当转子磁钢未分块时，与已在同一个数量级，经过理论分析通过式(3-12)计算转子铁损耗时，计算结果应该大于真实值34。当转子磁钢未分块时，通过文献37-39给出的分析方法能够更加准确的计算出转子的铁损耗，依据上节的推导，结合Maxwell方程，则转子磁钢的铁损耗可以通过下式计算得到： (3-13)(3-14)结合式3-12和3-14可以看出，无论是用转子铁损耗的分块解析法还是转子铁损耗的未分块解析法计算样机的转子铁损耗，这两种方法的核心都是要通过某种方法得到转子部件某一位置在某一个特定时间段磁密随时间的变化率。式3-12和3-14主要采用解析法得到其变化率，精度上较为难以保证，因此本文拟采用有限元法求出转子部件某一位置在某一个特定时间段磁密随时间的变化率，然后结合式3-12和3-14计算转子的铁损耗，这两种改进的计算转子铁损耗的方法在文中暂且称为结合有限元的转子铁损耗分块解析法和结合有限元的转子铁损耗未分块解析法。3.3 电磁场分析软件Magnet简介低频电磁场分析软件Magnet是加拿大Infolytica公司的四个主要软件包之一。1978年以来至今，Magnet作为第一个电磁场分析软件，在低频电磁场仿真分析领域一直处于领先地位。该软件已经帮助了世界围的众多工程师以与设计者对其设备进行精确的电磁场仿真分析40。软件的特点主要有以下几个方面：1.真正的视窗界面，容易使用，能方便快速地建立模型和进行分析。2.具有多种功能强大的求解器，其中瞬态求解器支持多运动部件，多自由度的仿真分析。3.强大的建模功能可以快速简单地建立复杂的图形.4.具有直接的CAD接口。可导入/导出多种文件类型。如：AutoCAD、SAT、CATIA等文件类型。5.完整的材料库和强大的材料编辑功能，用户可以根据需要添加材料，或者修改材料的电，磁，热，损耗等属性。6.网格剖分和网格自适应，Magnet的自适应剖分器利用有限元法精确地对2D和3D模型进行自适应剖分，用户也可以通过剖分工具对需要精确求解的区域进行加密剖分。7.强大的后处理功能，MagNet能够提供多个场量和标量数值仿真结果，用户可通过等势线图、云图、矢量箭头图来观察物体表面或物体部剖面上的场量结果。8.强大且方便的脚本编程功能。可以自动处理重复性工作，并且将MagNet作为平台，进行二次开发，如与其它软件的调用和联合仿真。3.4 3.5kW稀土永磁无刷直流电动机电磁场分析电磁场有限元分析软件Magnet的基本操作步骤与一般的有限元CAE（Computer Aided Engineering）软件相类似，分为三个部分：前处理，求解，后处理。对一个电机的分析包括一下具体步骤，如图3-3所示41：图3-3 Magnet软件的基本分析步骤3.4.1 前处理前处理包括建立几何模型、设定材料、连接电路等几部分组成。3.5kW表贴式稀土永磁无刷直流电动机的主要参数如下所示：1 额定功率 3.5kW2 额定电压 270V3 额定转速 5300rpm4 电枢径 70.4mm5 电枢外径 130mm6 电枢铁芯长 65mm7 转子极对数 28 电枢槽型 开口梯形槽9 气隙宽度 0.7mm10 齿数 2411 定子槽口宽 2mm12 定子槽口深 0.5mm13 定子槽肩宽 5.3mm14 定子槽肩深 0.5mm15 定子槽深 19.6mm16 定子槽底宽 8.217 转子保护套厚度