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永磁电机退磁原因分析
来源:西安泰富西玛电机有限公司 发布于:2013/8/7 8:44:39 点击量:
西安西玛电机文章:1永磁体涡流图Fig. 11 Eddy current chart for permanent magnet图 12 永磁同步电机转子模型Fig. 12 Model for rotor of PMSM真。 为了便于观察,将永磁电机转子稳态温度场进行局部放大,如图 13 所示。 从图中可以看出永磁体的温度要高于转子轭部的温度,由于永磁体本身的导热系数没有硅钢片的系数高,因此,永磁体的温度会高。 永磁体的温度最高约为 60 ℃,最低约为 30 ℃,这个温度可以保证永磁体可靠安全的工作。 仿真结果表明600 kW 永磁电机的方案是可行的,可以进行样机的生产。
图 3转子稳态温度场局部放大图Fig. 13 Partial enlargement diagram of steady-statetemperature field for rotor4. 4 样机温升实验在电机温升实验中,将电机端盖钻孔,用点温仪实测永磁电机转子永磁体温度,实验台如图 14所示。
图 14 样机实验台Fig. 14 Experimental table of prototype在转速恒定的情况下,逐渐增加负载转矩至额定。 在 4 h 内,每 10 min 测量一次转子温度,之后每 0. 5 h 测量一次温度。 将采集的温度绘制成图表,具体数据如图 15 所示。 从图中可以看到,永磁电机转子的温升很小,这个温度不会使永磁体退磁,实验结果也证明永磁电机没有发生退磁。
图 15 转子温度曲线Fig. 15 Temperature curve of rotor4. 5 仿真温度与实测温度的对比分析永磁体涡流损耗分析时,永磁体发热条件为内部发热。 而实际情况是靠近气隙侧的位置损耗大、温度高; 远离气隙侧损耗小、温度低。 考虑到集肤效应,热量产生的部位应该在永磁体表面透入深度的范围内。
实验中采用点温仪测量转子温度的方法是不够精确的,与实际温度存在一定的误差,但是误差是在工程实际允许的范围内。
仿真得到的永磁体的最高温度约为 60 ℃,最低温度约为 30 ℃,转子轭部温度为 22 ℃。 通过实验测得的转子温度为 30 ℃,仿真的结果与实测的结果基本一致。 这也说明这种分析永磁体涡流损耗的方法是可行的。
5 结 论电机转速分类如图 16 所示,电机的转速可分第 2 期 张炳义,等: 钕铁硼永磁电机永磁体涡流发热退磁研究1311) 忽略集肤效应的透入深度,假设涡流损耗产生的热量为内部发热;2) 假设永磁体散热面只有一个,即靠近气隙侧的外圆弧面;3) 假设永磁体的散热形式只有对流。
根据产生的涡流损耗以及使用的永磁体的体积,可以求出单位体积的永磁体的发热率。 而转子表面或者定子内圆的散热系数是很难计算的,一种比较实用的观点认为其散热系数[8]为αδ= 28( 1 + ω0. 5δ) ( 6)式中: αδ为气隙表面散热系数; ωδ为气隙平均风速,取 ωδ≈0. 5u2,u2为转子圆周速度。
根据公式,算出永磁体的发热率和散热系数。
假定环境温度为 20 ℃,对永磁体稳态温度场进行仿真,仿真结果如图 8 所示。 从图 8 中可以看到,永磁体的最高温度为 170 ℃,出现在永磁体的尖角上; 最低的温度为 168 ℃,出现在永磁体表面。
图 8 永磁体温度图Fig. 8 Temperature chart for permanent magnet综合以上分析结果看出,永磁体产生了很高的涡流损耗,涡流损耗产生大量的热。 永磁体处于电机结构的内部,散热条件不好,所以永磁体表面产生很高的温升,超过了永磁体的工作温度,致使永磁体产生退磁。
4 样机设计与实验总结以上经验,重新设计了一台 600 kW、20 极永磁电机,额定转速为 504 r / min. 在新电机的设计过程中,采取了一些措施来降低永磁体涡流损耗,防止永磁电机发生退磁。 具体措施如下:
1) 永磁体结构由表贴式径向励磁改为内置式切向励磁,转子采用硅钢片叠压。
2) 永磁体采用轴向分段结构,切割永磁体涡流的回路。 在转子端面安装挡片来固定永磁体。
4. 1 永磁体涡流损耗分析本研究采取了新的设计方法,用有限元软件建立永磁电机的模型,考虑永磁电机的结构对称性,为了方便计算,建立电机的 1/4 模型,如图 9所示。
图 9 600 kW 永磁电机的三维模型Fig. 9 3D model for 600 kW PMSM建立了永磁电机的模型之后,对永磁体设置电导率、涡流损耗和零电流,用求解 SOLID LOSS的方法来求解涡流损耗,涡流损耗的曲线如图 10所示。 通过软件计算出的损耗有效值为 420 W,与表贴式永磁电机的损耗相比,电机额定功率增加了100 kW,而损耗降低了2. 77 kW,由此可见采取新的措施后,效果是明显的。
图 10 永磁电机在 0. 1 s 内的涡流损耗曲线Fig. 10 Eddy current loss curve for PMSM within 0. 1 s4. 2 永磁体涡流损耗仿真对永磁电机模型进行三维涡流场的仿真,后处理过程中,只显示两个永磁体的涡流损耗,如图 11 所示。 从图中可以看到永磁体涡流损耗的数量级为 106W / m2. 与表贴式永磁电机相比,内置式永磁电机的永磁体涡流损耗仅为表贴式的1 /10. 这说明采取新的措施后,效果明显。
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