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摘要：针对永磁型调速电机在高速运行时，转子涡流损耗导致永磁体发热严重，导致永磁体存在不可逆退磁的难题。在分析永磁型调速电机转矩和径向力产生机理的基础上，研究了径向力、转矩绕组磁场和悬浮绕组磁场的相对运动关系，给出了永磁型调速电机单一方向稳定可控径向力的产生条件，采用2D耦合电路瞬态有限元法，计算了转子空载涡流损耗，比较了永磁型调速电机极对数为P。
0引 言
高速电机功率密度高，相同体积下可以大幅度提高电机输出功率。采用高速电机直接驱动负载。无需传动机构，可以节约材料，减小系统体积，大幅度降低运行噪声和实现零传动损耗运行，效率高，在航空航天、新能源和精密制造等特殊领域具有广阔的应用前景，并逐渐成为电工领域的研究热点。高速电机转子通常采用气浮、液浮轴承支承，由于存在摩擦和需要专门设备，使得由上述轴承支承的电机体积庞大，还存在漏气、漏液等技术难题，同时高速旋转时轴承发热严重，限制了电机转速的进一步提升。采用磁悬浮轴承支承结构的高速电机能够实现转子在五自由度上无摩擦、无润滑和免维护运行，但是由于采用多个磁轴承单元，所以该结构的高速电机体积庞大，轴向长度较长，转子临界转速低，系统复杂度和成本较高，难以体现高速电机的优良特性，因此工业应用价值较低。调速电机是将产生径向力的悬浮绕组和电机传统转矩绕组一起叠压到电机定子槽中，转子由极对数不同的转矩绕组磁场和附加悬浮绕组磁场相互作用产生的电磁力支承。
由调速电机和三自由度磁轴承组成的高速电机系统与磁轴承支承的高速电机相比，结构更简单，体积更小，相同输出功率下的轴向长度较短；而在相同轴向长度时，调速电机系统能够实现更高转速和更大功率运行旧。永磁电机具有高功率密度、{gx}率、无需励磁和控制简单等优点，特别适合于高速运行。永磁电机转矩绕组磁场与转子运行，转子涡流损耗主要由定子齿槽谐波、电流谐波和绕组反电动势谐波产生口。但在永磁型调速电机中，嵌人到定子槽中的附加悬浮绕组产生的悬浮绕组磁场与转子异步运行，所以永磁型调速电机的转子涡流损耗除永磁电机的转子涡流损耗外，还要加上由异步运行悬浮绕组磁场产生的转子涡流损耗。因此，当转速和功率相同时，转子涡流损耗远大于永磁电机，对转子永磁体性能影响极大，所以对转子涡流损耗的研究意义重大，但国内外学者对转子涡流损耗的研究还未见报道。本文研究了径向力、转矩绕组磁场和悬浮绕组磁场的相对运动关系，给出了永磁型调速电机单一方向稳定可控径向力产生条件，基于转子涡流损耗分析对永磁型调速电机极对数进行优化，并采用2D耦合电路瞬态有限元法，分析比较了永磁型
1转矩与悬浮力产生机理永磁型调速电机磁场由P。极对数的悬浮绕组磁场、PM极对数的转矩绕组磁场和转子永磁磁场叠加而成。转矩产生机理与永磁电机相同，由转子永磁磁场和转矩绕组磁场相互作用产生，对于表面贴式永磁型调速电机，等效气隙较大，与转子永磁磁场相比，转矩绕组磁场幅值很小。因此，转矩绕组磁场对径向力的影响可以忽略不计，径向力主要由转子永磁磁场和悬浮绕组磁场相互作用产生，当电机定子两套绕组极对数满足关系时，两组磁场相互叠加，在某个方向上磁场增强，在相反方向磁场减弱，根据麦克斯韦力产生原理，转子受到径向力的作用，该力的方向指向磁场增强方向，给出在某一静止状态下，转子受到的径向力，转子永磁磁场和悬浮绕组磁场在方向磁场极性相同，叠加结果使得磁场增强，在方向磁场极性相反，叠加结果使得磁场减弱，此时，转子受到指向+y方向的径向合力的作用。
2磁场相对运动永磁型调速电机在高速运转时，永磁磁场、悬浮绕组磁场和转矩绕组磁场始终处于高速旋转状态。要实现转子稳定悬浮，必须确保在任意转速和转子位置下，永磁型调速电机在转子上能够产生大小和方向可控的径向力。可以看出，在磁场旋转过程中，要产生稳定的单一方向径向力，转子磁场机械角速度和悬浮绕组磁场机械角速度。同时考虑转矩绕组磁场与转子，转矩绕组磁场旋转机械角速度，即定子两套绕组磁场旋转电角速度必须相同，定子绕组磁场均由定子三相对称绕在永磁电机中，定子绕组磁场与转子，转子涡流损耗主要由各次谐波产生，与定子铁耗和绕组铜耗相比非常小，对电机性能的影响可以忽略。而在永磁型调速电机中，除了各次谐波在转子中产生涡流损耗外，与转子异步运行的悬浮绕组磁场在转子中也产生涡流损耗，各次谐波幅值与悬浮绕组磁场幅值相比很小，所以悬浮绕组磁场是永磁型调速电机转子涡流损耗的主要来源，其转子涡流损耗比相同转速和功率的永磁电机大得多，转子发热严重，同时，钕铁硼永磁材料居里温度低，电导率低，永磁体易发热和退磁。
3径向力数学模型单一方向稳定径向力必须通过调节两组定子绕组电流大小和相位进行控制。为了便于控制，绕组排列按照两套绕组中通入初始相位为零的电流时，转子上的径向力指向+z方向进行设计两个变量都与悬浮绕组电流有关，所以通过调节悬浮绕组电流的大小和初相位，就可以产生大小和方向可控的径向力，从而实现永磁型调速电机转子的稳定悬浮。
4转子涡流损耗计算永磁型调速电机样机的主要参数为：定子外径120 mm，定子内径67 into，定子槽数24和36；转矩绕组每槽匝数35，悬浮绕组匝数30，转子铁心外径59 mm，永磁体厚度为2 mm，护套厚度为1 mm，铁心长度80 mm，额定转速为12000r／min。根据样机参数建立2D有限元分析模型，采用耦合外部电路瞬态分析法计算转子涡流损耗，转子设定旋转机械角速度为12 000 r／min，计算时间为0～0．4 S，时间步长为0．002 S，对转子区域定义涡流损耗求解参数，对转子进行涡流损耗求解。
4．1空载损耗分析为了减小气隙磁场谐波，转子永磁体采用磁化模式，将外部电路的电流幅值设定为OA时，求解出的转子涡流损耗即为由定子齿槽效应引起的损耗，此时的损耗密度分布。
5 结 论本文在分析永磁型调速电机稳定可控径向力产生机理的基础上，建立了径向力数学模型，研究了永磁型调速电机转子涡流损耗，采用有限元法计算了转子在空载和负载下的转子涡流损耗，得出结论如下：
1)要实现永磁型调速电机转子稳定悬浮，定子两套绕组磁场极对数需满足条件：PM=P。±l，或磁场旋转电角速度相同。或者绕组相序相同，电流频率相同。
2)在永磁型调速电机中，转子涡流损耗主要由异步运行悬浮绕组磁场产生，由齿槽谐波引起的转子涡流损耗非常小，可以忽略不计。
3)定子绕组极对数对转子涡流损耗影响极大，为了避免永磁体由涡流损耗引起的热退磁，经过比较分析，永磁型调速电机应采用PM=P。
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