低轉(zhuǎn)子損耗永磁容錯電機(jī)電磁、熱耦合設(shè)計(jì)

低轉(zhuǎn)子損耗永磁容錯電機(jī)電磁熱耦合設(shè)計(jì)2017

Motor-CAD用戶大會江蘇大學(xué)高效能電機(jī)系統(tǒng)與智能控制內(nèi)容提要一、研究背景意義二、低轉(zhuǎn)子損耗設(shè)計(jì)三、Motor-CAD電磁熱耦合設(shè)計(jì)四、總結(jié)與體會一、研究背景意義3/40研究背景國內(nèi)外由作動器故障的飛行事故頻頻發(fā)生電機(jī)是機(jī)載系統(tǒng)電作動器的直接執(zhí)行者，連續(xù)運(yùn)行尤為關(guān)鍵。電機(jī)系統(tǒng)的微小故障都可能導(dǎo)致任務(wù)失敗，乃至機(jī)毀人亡。4/40永磁容錯電機(jī)優(yōu)點(diǎn)：功率密度高帶故障運(yùn)行能力強(qiáng)可靠性高效率高1、在不犧牲容錯電機(jī)容錯性能和電磁特性情況下，低轉(zhuǎn)子損耗設(shè)計(jì)對進(jìn)一步提高電機(jī)的可靠性及效率意義重大。2、快速、方便、準(zhǔn)確的計(jì)算電機(jī)電磁性能和電機(jī)內(nèi)溫度分布對電機(jī)設(shè)計(jì)起著重要的作用。缺點(diǎn)：轉(zhuǎn)子損耗大磁動勢諧波含量高轉(zhuǎn)子散熱溫度比較集中研究背景二、低轉(zhuǎn)子損耗設(shè)計(jì)6/40低轉(zhuǎn)子損耗設(shè)計(jì)低轉(zhuǎn)子損耗永磁電機(jī)繞組低諧波轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)子磁障永磁體分塊7/402.1

電樞繞組磁動勢諧波0.81.0MMF

(pu)Torque

ripple,

losses

and

radial

force0.60.40.20.00

4

8

12

16

20

24

28

32

36Harmonicorder9s8p磁動勢諧波分布分?jǐn)?shù)槽集中繞組中含有豐富的磁動勢諧波；會引起轉(zhuǎn)矩脈動、損耗和徑向力。8/402.1繞組低諧波-繞組連接方式星三角連接I11I(j-1)1Im1

N1

Ij1nj1I121I(j-1)2j-1Ij2jnj2Im2mN2星三角連接1次磁動勢諧波消除，其轉(zhuǎn)子渦流損耗降低，但是雙層繞組并不適合容錯電機(jī)。星三角連接示意圖12s10p星三角繞組連接9/402.1繞組低諧波-繞組連接方式星三角連接0510

152025300.00.30.60.91.2MMF

(%)ConventionalStar-deltaHarmonic

order12s10p0510

152025300.00.30.60.91.2MMF

(%)ConventionalStar-deltaHarmonic

order24s22p0510

152025300.00.30.60.91.2MMF

(%)ConventionalStar-deltaHarmonic

order36s34p0510

152025300.00.30.60.91.2MMF

(%)ConventionalStar-deltaHarmonicorder48s46p10/40星三角連接永磁電機(jī)傳統(tǒng)電機(jī)星三角連接電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗(W)124.686.9效率(%)92.493.2星三角連接有效減小轉(zhuǎn)子損耗，提高電機(jī)的效率2.1繞組低諧波-繞組連接方式11/40多相繞組繞組相數(shù)增加，改變了繞組的分布因數(shù)，減小了繞組磁動勢諧波。3相12相2.1繞組低諧波-多相技術(shù)1417

6ABa0A-

2411229

20

7

18CC-B-23C6

19

8

B12AD

24E9

20

7

18

5

F6相a013221023

B12JE17

619

8

21

CD1

A24H

11F

415G

2K14316

LI

9

20

7

18

5a012/40多相繞組100806040200337212-phase6-phaseEddy

current

loss

(W)3-phase760515201.00.80.60.40.20.03-phase6-phase12-phase10Harmonic

orderMMF

(%)快速準(zhǔn)確便捷2.1繞組低諧波-多相技術(shù)13/402.2轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)IPM與SPM電機(jī)SPM永磁電機(jī)Spoke型IPM電機(jī)V-型IPM電機(jī)14/402.2轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)SPM永磁電機(jī)Spoke型IPM電機(jī)V-型IPM電機(jī)電樞繞組磁動勢諧波對不同轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦流損耗差異較大，SPM結(jié)構(gòu)最大。Spoke型V-型SPM渦流損耗（W）106.656.4178.615/402.3永磁體分段塊分段大大限制了渦流路徑，有效抑制永磁體渦流損耗不分段徑向分3段2sνJ

(dVPM,

t)Weddy

=16/40軸向分塊SPM永磁體軸向分兩段Spoke形永磁體軸向分兩段2.3永磁體分段17/40塊永磁體分段（分段后尺寸小于其透入深度），可極大降低永磁體上渦流損耗。永磁體不分段永磁體徑向分3段2.3永磁體分段18/40π/v2π/v(θ,t)RStator

yoke

μRπ/v2π/v(θ,t)Stator

yoke

μp/vp/vPP1PP1P2π/v2π/v(θ,t)無磁障有磁障等效磁導(dǎo)分析模型2.4轉(zhuǎn)子磁障19/402.4轉(zhuǎn)子磁障0510152025Rotor

losses

(W)Rotoriron

lossesPM

EC

lossesOriginal

Newly

designed轉(zhuǎn)子損耗對比0525300.000.040.080.120.160.20OriginalNewly

designed10

15

20Harmonic

orderFlux

density

(T)無磁障有磁障電樞反應(yīng)磁密三、Motor-CAD電磁熱耦合設(shè)計(jì)21/40關(guān)于Motor-CADMotor-CAD是一款專門進(jìn)行電機(jī)電磁熱設(shè)計(jì)與分析的

。電磁場部分能夠智能的與溫度場相耦合，使電磁計(jì)算更貼近實(shí)際。電磁場溫度場溫度影響永磁體磁性能高溫可使永磁體退磁高溫破壞絕緣層增加運(yùn)行故障風(fēng)險(xiǎn)電磁損耗繞組銅耗風(fēng)摩損耗機(jī)械損耗Motor-CAD可實(shí)現(xiàn)相互之間的耦合22/40設(shè)計(jì)方案低轉(zhuǎn)子損耗容錯永磁電機(jī)設(shè)計(jì)案例建模電磁性能電磁設(shè)計(jì)界面2-D模型對比轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)永磁體分塊后處理智能，快速，準(zhǔn)確電磁性能對比空載反電勢轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)矩脈動電磁性能優(yōu)化多參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化高效，快速，精確熱分析

自動計(jì)算一些熱流參數(shù)，快捷方便電磁場和溫度場相互耦合，使計(jì)算更加準(zhǔn)確23/403.1建模-定子設(shè)計(jì)界面快速參數(shù)化建模（提供多種電機(jī)模型，通過輸入電機(jī)繞組、幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)即可建立電機(jī)模型，使用方便快捷。24/403.1建模-2-D模型利用槽電勢星形圖進(jìn)行繞組分相多個永磁需要逐個充磁自動充磁自動分相Maxwell模型Motor-CAD模型25/403.1建模-轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)表貼式Spoke結(jié)構(gòu)內(nèi)置式多層磁障Maxwell庫Motor-CAD庫26/403.1建模-與Maxwell對比MaxwellMotor-CAD永磁體充磁逐個充磁自動繞組分相用戶自動繞組參數(shù)計(jì)算無法體現(xiàn)自動相應(yīng)3D模型另外建模自動是否考慮繞組端部無有永磁體分塊另外建模只需設(shè)置分塊數(shù)定轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)內(nèi)置、自定義內(nèi)置Motor-CAD已成主流的電機(jī)高效設(shè)計(jì)

，強(qiáng)大的電磁分析和熱分析功能，為設(shè)計(jì)者提供便捷快速準(zhǔn)確設(shè)計(jì)服務(wù)！一點(diǎn)建議：如果能支持外部用戶自定義模型就更完美了27/403.1建模-永磁體分段永磁體分塊Maxwell-3D

解析磁體

段情況太復(fù)雜Maxwell

需要對50多個面逐一進(jìn)行邊界條件的設(shè)置，如果是整個電機(jī)，需要進(jìn)行1100次這樣的操作永磁體分塊能有有效的限制永磁體渦流損耗，且其不影響其他電磁性能及容錯性能28/403.1建模-永磁體分段總結(jié)：在利用Maxwell進(jìn)行分塊計(jì)算時，

建模繁瑣、工作量大

不利于優(yōu)化設(shè)計(jì)

需建3D模型，過程復(fù)雜

每個分割面需要設(shè)置絕緣邊界

計(jì)算時間長No

Problem！29/403.1建?！来朋w分段用Motor-CAD計(jì)算永磁體分塊情況，非常方便、快捷。只需在人機(jī)界面輸入相應(yīng)的分塊數(shù)即可，無需額外建模，電機(jī)設(shè)計(jì)效率大大提高。軸向分段以前4-5天現(xiàn)在1-2小時段30/403.2電磁計(jì)算——與Maxwell比較MaxwellMotor-CAD反電勢（V）223.1220.6轉(zhuǎn)矩（Nm）10.810.8永磁體渦流損耗（W）不分塊118.3112.5徑向分3塊36.936.510塊22.822.3徑向3周向10塊10.510.3計(jì)算時間5h2min兩中

的計(jì)算結(jié)果非常吻合、但是計(jì)算效率Motor-CAD要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于

Maxwell31/403.2電磁計(jì)算電磁計(jì)算結(jié)果斜槽前后反電勢波形對比磁密云圖諧波分布32/403.2電磁計(jì)算——反電勢反電勢波形Motor-CAD計(jì)算實(shí)測波形Maxwell計(jì)算反電勢幅值波形非常吻合33/403.2電磁計(jì)算——轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩波形Motor-CAD計(jì)算實(shí)測波形Maxwell計(jì)算實(shí)驗(yàn)與仿真吻合34/403.3優(yōu)化設(shè)計(jì)459101.021.051.081.111.14氣隙磁密(T)6

7

8永磁體厚度(mm)45910138135132129126123轉(zhuǎn)矩(Nm)6

7

8永磁體厚度(mm)提供了友好的人機(jī)優(yōu)化界面，可進(jìn)行多參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化35/403.4電磁熱耦合分析熱模型不可避免的跟流體動力學(xué)等有關(guān)，而Motor-CAD可以自動計(jì)算這些相關(guān)的熱對流參數(shù)，非常nice！熱損耗分布36/403.5實(shí)驗(yàn)比較實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Motor-CAD熱分布熱成像儀溫度分布37/40總結(jié)通過輸入電機(jī)繞組、幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)即可建立電機(jī)模型，使用方便快捷。多參數(shù)多目標(biāo)同步優(yōu)化，便捷的永磁體分段、斜齒、斜槽計(jì)算，極大的縮短了設(shè)計(jì)時間。自動計(jì)算熱流參數(shù)，精確的電磁場和溫度場計(jì)算結(jié)果。四、總結(jié)與體會39/40溫度場的精確建模與計(jì)算，將有利于電機(jī)系統(tǒng)拓展應(yīng)用領(lǐng)域，進(jìn)一步提升功率密度。電磁-溫度的