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• 28•永磁体在高速旋转下，难以承受巨大的离心力，必须对永磁体采取保护措施，目前最常用的两种保护措施是碳纤维捆扎永磁体和永磁体外加合金保护套，同时保护措施又会增加空间和时间谐波在转子中的涡流损耗，给高速永磁电机散热带来较大的困难，造成电机转子温升过高、永磁体发生不可逆退磁的后果，针对以上问题，本文基于一台高速永磁电机，把保护套分为两层，设计了5种方案，采用2D时步有限元法进行了比较与分析，并研究了铜屏蔽层厚度对两种保护措施下转子涡流损耗的影响。
1 引言高速电机具有效率高、功率密度大、体积小、特别是可以省去增速箱等诸多优点，已经成为近年来的国内外研究热点，国外对高速电机的研究较早，功率范围已经到达几兆瓦甚至几十兆瓦，我国对高速电机的研究大都停留在几十千瓦以下的小功率阶段（周凤争，高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的研究：浙江大学，2008；周凤争，沈建新，王凯，转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响：浙江大学学报:工学版，2008；周凤争，田占元，祝长生，等.飞轮储能用高速永磁电机转子的涡流损耗：浙江大学学报:工学版，2011）。
永磁电机采用烧结钕铁硼永磁材料，在高速旋转情况下，永磁体难以承受巨大离心力，必须对永磁体采取保护措施，目前最常用的保护措施一种是采用碳纤维绑扎永磁体，另外一种是在永磁体外面加一高强度非导磁合金保护套（Sh-uangxia Niu，S.L.Ho，W.N.Fu，et al.Eddy current reduction in high-speed machines and eddy current loss analysis with multislice time-stepping finite-element method：IEEE Trans-actions on Magnetics，2012；Etemadrezaei M，Wolmarans J J，Polinder H，et al.Precise calculation and optimization of rotor eddy cur-rent losses in high speed permanent magnet ma-chine：International Conference on Electrical Machines，2012；沈建新，郝鹤，袁承，高速永磁无刷电机转子护套周向开槽的有限元高速永磁电机转子涡流损耗分析杜光辉西安中车永电捷力风能有限公司 中车永济电机有限公司 黄 娜 西安工分析：中国电机工程学报，2012）。
高速磁悬浮永磁电机多物理场分析及转子损耗优化韩邦成;薛庆昊;刘旭【摘要】为提高高速磁悬浮永磁电机的综合性能,得到最优的设计参数,针对一台30 kW,48 000 rpm的磁悬浮电机进行了电磁场、转子动力学以及转子强度分析,提出一种基于多物理场分析结果的电机尺寸优化方法.使用ANSYS以及ANSOFT 对电机进行建模和有限元分析,并用ISIGHT软件进行集成优化设计.以转子损耗最小为优化目标,电机几何尺寸为设计变量,在优化过程中考虑尺寸变化对电机转子模态以及强度的影响,以尺寸、电机电磁性能、力学性能等为约束条件.经过优化后,电机的转子损耗减小16.7％,其余性能均符合设计要求.根据优化设计结果加工了样机并进行电机对拖与温升实验,结果证明了优化设计的合理性,验证了本文提出方法的正确性.%To improve the overall performance of high-speed magnetic suspension PM machine and obtain the optimal design parameters,an electromagnetic filed,rotor dynamics and rotor strength analysis was conducted on a magnetic suspension machine (30 kW,48 000 rpm),and a size optimization method based on such multi-physics analysis was put ed ANSYS and ANSOFT to carry out modeling and finite element analysis on the motor,and then completed the integrated optimization designed by adopting the ISIGHT software,taking the impact of dimensional change on the rotor model and rotor strength into consideration,with the minimum rotor loss as the optimizationgoal,geometric dimension of the motor as the design variable,and dimension,magnetic performance and mechanical performance as the constraint conditions.After such optimization,rotor loss of the motor wasdecreased by 16.7％,with other performances in compliance with the design requirements.Then a back-to-back test and temperature rise test were carried out in the model machine based on the optimization design results.The test results verify the reasonability of such optimization design and correctness of the method put forward in this paper.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2017(025)003【总页数】9页(P680-688)【关键词】电磁分析;多物理场;高速磁悬浮电机;永磁电机;有限元【作者】韩邦成;薛庆昊;刘旭【作者单位】北京航空航天大学惯性技术重点实验室,北京100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室,北京100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心,北京100191;北京航空航天大学惯性技术重点实验室,北京100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室,北京100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心,北京100191;北京航空航天大学惯性技术重点实验室,北京100191;北京航空航天大学新型惯性仪表与导航系统技术国防重点学科实验室,北京100191;北京市高速磁悬浮电机技术及应用工程技术研究中心,北京100191【正文语种】中文【中图分类】TB853.29随着现代工业的发展，对高速永磁电机的应用越来越多，在国防领域有飞轮、控制力矩陀螺，民用领域有空调压缩机[1]、数控机床和高速离心设备等。
无刷电机损耗
无刷电机的损耗主要包括以下几个方面：
1. 摩擦损耗：无刷电机中有多个机械部件，如轴承和齿轮等，它们之间的接触和相对运动会产生一定的摩擦损耗。
2. 铁心损耗：无刷电机中的铁心处于不断的磁化和去磁化过程中，会产生涡流损耗和磁滞损耗，也会消耗一定的能量。
3. 空气摩擦损耗：无刷电机中的转子和定子之间有一定的空隙，当转子旋转时，会与空气产生摩擦，造成一定的能量损耗。
4. 管理损耗：无刷电机需要通过电子控制器来实现转子的驱动和控制，电子控制器本身也会有一定的功耗。
以上是无刷电机的一些常见损耗，具体的损耗大小取决于无刷电机的结构和设计，以及电机的工作负载等因素。
为了降低无刷电机的损耗，可以通过优化电机的结构设计、减小机械部件的摩擦、提高电机的效率等方法来改进。
内转子无刷电机的结构一、引言内转子无刷电机是一种常见的电动机类型，它具有结构简单、效率高、寿命长等优点，在各个领域得到了广泛的应用。
本文将介绍内转子无刷电机的结构及其工作原理。
二、内转子无刷电机的结构内转子无刷电机主要由转子、定子和电子调速装置三部分组成。
1. 转子转子是内转子无刷电机的核心部分，通常由多个磁极和绕组组成。
磁极通常由永磁材料制成，可产生稳定的磁场。
绕组则通过电流与磁场的相互作用产生转矩，驱动电机运转。
2. 定子定子是内转子无刷电机的固定部分，由铁心和绕组构成。
铁心通常采用硅钢片叠压而成，以减小铁心的磁滞损耗和涡流损耗。
绕组则由导线绕制而成，通过电流在磁场中产生旋转磁场，与转子磁场相互作用产生转矩。
3. 电子调速装置电子调速装置是内转子无刷电机的控制部分，包括电调、传感器和控制器等。
电调通过控制电流的大小和方向，实现电机的正反转和调速。
传感器用于检测电机的转速和位置等参数，向控制器提供反馈信号。
控制器根据传感器的反馈信号，计算并控制电调的输出，使电机按照预定的要求运行。
三、内转子无刷电机的工作原理内转子无刷电机的工作原理基于电磁感应和电磁力的相互作用。
1. 电磁感应当电流通过定子绕组时，根据安培定律，会在绕组周围产生磁场。
同时，由于绕组中的电流方向不断变化，磁场也会随之变化。
这种变化的磁场会感应出转子上的感应电动势，使转子产生感应电流。
2. 电磁力根据洛伦兹力定律，当导体中的电流与磁场相互作用时，会产生力的作用。
在内转子无刷电机中，定子绕组中的电流与转子磁场相互作用，产生转矩，驱动转子旋转。
3. 电子调速电子调速装置通过控制电流的大小和方向，实现对电机的调速和正反转。
电调根据控制信号控制电流的大小，通过改变电流的大小，进而改变电机的转速。
四、总结内转子无刷电机是一种结构简单、效率高、寿命长的电机类型。
它由转子、定子和电子调速装置组成，通过电磁感应和电磁力的相互作用实现转矩的产生和转子的旋转。
高速感应电机转子涡流损耗的计算方法及影响因素梁艳萍;李伟;王泽宇;高莲莲【摘要】结合解析法和二维涡流场有限元法,提出一种计算大型高速感应电机转子涡流损耗的半解析法,利用二维涡流场有限元法计算转子表面磁密,并在此基础上基于麦克斯韦方程组详细地推导出了解析公式.以一台兆瓦级高速感应电机为例,将半解析法与二维瞬态有限元法的计算结果进行对比,结果满足工程实践的精度要求.此外,采用半解析法研究转子材料和转子结构对转子涡流损耗的影响,结果表明:转子材料的相对磁导率越高、电导率越低,转子涡流损耗越小,端部有端环结构能降低转子的涡流损耗.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2019(023)005【总页数】9页(P42-50)【关键词】高速感应电机;转子涡流损耗;半解析法;转子材料;转子结构【作者】梁艳萍;李伟;王泽宇;高莲莲【作者单位】哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,哈尔滨150080;哈尔滨电气动力装备有限公司,哈尔滨150060;哈尔滨理工大学电气与电子工程学院,哈尔滨150080【正文语种】中文【中图分类】TM3550 引言高速感应电机因其可与高速负载直接相连，省去了常规电机所需的机械增速装置，减小系统的噪音和体积、降低了运行和维护成本、提高了系统的可靠性，因而主要被广泛应用汽车制造、高速主轴系统、天然气输送高速离心压缩机以及石油等工业领域[1-4]。
目前，由于工业水平发展和制造工艺水平的提高，国外对大型高速感应电机的研究已经取得了一些成就。
为了开发新一代节能、高速中压传动系统，西屋公司研制一台额定功率为1 MW、同步转速为15 000 r/min的高速感应电机[5]。
2002年ABB公司研制了一台应用在天然气输送高速压缩机上、额定功率为15 MW的实心转子高速感应电机[6]。
德国达姆施特大学设计分析了一台同步转速为24 000r/min的高速感应电机，并研究了转子轴向开槽对转子涡流损耗的影响[7-8]。
电机与电器专题课报告——飞轮储能系统研究哈尔滨工业大学2014年6月飞轮储能系统研究摘要：飞轮储能系统(FESS)又称飞轮电池或机电电池，由于它与化学电池相比所具有的巨大优势和未来市场的巨大潜力，引起了人们的密切关注。
它结合了当今最新的磁悬浮技术、高速电机技术、电力电子技术和新材料技术，使得飞轮储存的能量有了质的飞跃，再加上真空技术的应用，使得各种损耗也非常小。
本文针对该领域近年来的研究成果，对飞轮储能系统的几大关键部件全面的论述。
引言：飞轮电池是一种高科技机电一体化产品，它在国防工业、汽车工业、电力工业、电信业等领域具有广阔的应用前景。
作为电池家族的成员，这种新型的电池与化学电池相比具有以下几方面突出的优点。
(1)储能密度高。
转子转速大于60000r/min的飞轮电池，在75%放电深度下产生大于20Whr/lb的比能量(此值还不是最高的)，而镍氢电池只有5～6Whr/lb的比能量，其放电深度一般限制在30%～40%的范围内。
(2)无过充电、过放电问题。
化学电池一般不能深度放电，也不能过充电，否则其寿命会急剧下降。
而飞轮电池在深度放电时，其性能完全不受影响，而且在电力电子协助下，非常容易防止过充电(实际上是限制转子的最高转速)。
飞轮电池的寿命主要取决于其电力电子的寿命，故一般可到达20年左右。
(3)容易测量放电深度，充电时间较短。
飞轮电池只要测出转子的转速，就能确切知道其放电深度，而化学电池就没有这么容易了。
另外，飞轮电池的充电一般在几分钟之内即可完成，而化学电池则需要几个小时，常见的需要七八个小时。
(4)对温度不敏感。
化学电池在高温或低温时其性能会急剧下降，而飞轮电池则不然。
(5)对环境友好。
化学电池在报废后会对环境产生恶劣影响，而且回收成本较高。
飞轮电池是一种绿色电池，它不会对环境产生任何影响，故它在电动汽车方面的应用极具潜力。
飞轮电池的发展开始于20世纪70年代，当时正处于石油禁运和天然气危机时期。
百万火电机组励磁机转子结构
百万火电机组的励磁机转子结构是一个非常重要的部件，它承
担着控制发电机输出电压的关键作用。
一般来说，励磁机转子结构
由转子铁芯、励磁绕组、轴承和冷却系统等部件组成。
首先，转子铁芯是励磁机转子结构的主要支撑部件，它通常由
硅钢片叠压而成，以减小铁损和涡流损耗。
转子铁芯的设计和制造
质量直接影响着励磁机的性能和稳定性。
其次，励磁绕组是转子结构中至关重要的部分，它由导线绕制
而成，通过直流电源提供励磁电流，产生磁场，从而激励发电机产
生电压。
励磁绕组的设计需要考虑到电流密度、绝缘、散热等因素，以确保其安全可靠地工作。
另外，轴承是支撑转子结构的重要组成部分，它承受着转子的
重量和旋转惯量，并且要保证转子在高速旋转时的稳定性和平衡性。
轴承的选用和安装对于减小转子的机械损耗和噪音都起着至关重要
的作用。
最后，冷却系统也是励磁机转子结构中不可或缺的一部分，它
用于散热，保持励磁机在长时间运行中的温度稳定，以确保其正常
工作和延长使用寿命。
总的来说，百万火电机组励磁机转子结构的设计和制造需要考
虑到材料、电磁、机械和热力学等多个方面的因素，以确保其稳定
可靠地工作，同时也需要严格按照相关标准和规范进行制造和安装。
希望这样的回答能够满足你的要求。
高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算一、概述高速永磁同步电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor, HSPMSM）作为现代工业自动化领域的关键设备，因其高效率、高功率密度和良好的控制性能，在航空航天、高速列车、电动汽车等重要领域得到广泛应用。
高速运行条件下，电机内部的热效应和温升问题成为限制其性能和可靠性的关键因素。
电机的损耗分析和温度场计算对于理解其热行为、优化设计以及确保运行安全至关重要。
本论文旨在对高速永磁同步电机的损耗和温度场进行系统分析。
将对电机的损耗类型进行分类，包括铁损、铜损和杂散损耗，并探讨各种损耗在高速运行条件下的变化规律。
将详细介绍基于有限元方法的电机温度场计算流程，涉及热生成、对流散热、热传导等关键物理过程。
通过实验验证和仿真结果对比，评估所提方法的有效性和准确性，为高速永磁同步电机的热管理提供理论依据和技术支持。
1. 高速永磁同步电机的发展背景和应用领域随着科技的不断进步和工业的快速发展，电机作为转换电能为机械能的核心设备，其性能的提升与技术的革新显得尤为重要。
高速永磁同步电机（HighSpeed Permanent Magnet Synchronous Motor,HSPMSM）作为现代电机技术的一个重要分支，凭借其高效、高功率密度、高转速和低维护等特性，在多个领域展现出了广阔的应用前景。
发展背景方面，随着全球能源危机的加剧和环境保护意识的提升，高效节能型电机成为了研究的热点。
高速永磁同步电机正是在这一背景下应运而生，它不仅继承了传统永磁同步电机的高效率特性，而且通过提高转速，进一步提升了能量转换效率和功率密度。
新材料、新工艺的不断涌现，也为高速永磁同步电机的设计与制造提供了更多的可能性。
应用领域方面，高速永磁同步电机已被广泛应用于风力发电、新能源汽车、航空航天、高速机床、压缩机等多个领域。
在风力发电中，高速永磁同步电机的高效性能和稳定性为风能的高效利用提供了保障在新能源汽车中，其高功率密度和快速响应特性使得车辆加速更加迅速和平稳在航空航天领域，其高转速和轻量化特点使得其在飞行器的动力系统中占据了重要地位。
不同驱动方式下表贴式交流永磁电机转子涡流损耗研究吕长朋;张立春;李波【摘要】针对转子涡流损耗在某些表贴式交流永磁电机中引起很高的温升问题,本文采用有限元软件仿真分析了三相永磁电机在方波和正弦波驱动方式下的转子涡流损耗的变化规律.分析表明:同转速、同转矩条件下,方波驱动的转子涡流损耗要大于正弦波驱动的,且二者之差磁随转速和负载的增大而增大.稳定时,方波驱动产生的转子涡流损耗每个电周期有6次波动,这主要是由绕组谐波电流引起的.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2010(030)002【总页数】5页(P5-9)【关键词】交流永磁电机;方波驱动;正弦波驱动;涡流损耗【作者】吕长朋;张立春;李波【作者单位】中国船舶重工集团公司712研究所,武汉,430064;中国船舶重工集团公司712研究所,武汉,430064;中国船舶重工集团公司712研究所,武汉,430064【正文语种】中文【中图分类】TM3511 引言永磁电机因其结构简单、体积小、效率高等优点，在国防、航空航天、工农业生产和家用电器等方面获得广泛的应用。
永磁电机主要以交流永磁电机应用为主，根据驱动方式的不同，交流永磁电机可分为正弦波驱动的永磁同步电机（PMSM）和方波驱动的无刷直流电机（BLDCM）。
交流永磁电机的损耗可分为铜耗、定子铁耗、转子损耗和机械损耗等。
对于常见的表贴式永磁电机，转子损耗主要表现为磁钢表面的涡流损耗。
一般认为在采用非金属护套的表贴式交流永磁电机中，由于转子与定子磁场同步旋转，另外磁钢的磁导率接近空气的磁导率，电枢反应小，与定子的铜损和铁损相比，转子涡流损耗很小，因此常忽略转子中的涡流损耗。
事实上，由于交流永磁电机磁路的复杂性，定子齿槽效应、绕组磁动势的非正弦分布和绕组中的谐波电流所产生的谐波磁势均可能在转子中产生损耗，并集中分布于磁极表面区域，这些损耗将导致该区域热源密度过大，进而引起转子发热，造成很高的温升，会引起永磁体局部退磁[1、5]。
PWM供电时高速永磁电机的谐波特征及损耗研究张经纬;柳长江;祝后权【摘要】转子温升是高速永磁电机温升控制的重点,考虑脉宽调制(Pulse Width Modulation,简称PWM)供电对转子涡流损耗的影响尤为重要.本文分析了PWM 供电时主要谐波的产生机理,结合具体设计案例,针对表面式高速永磁电机(SPM)转子结构开展了方案设计,搭建了基于场路耦合的有限元仿真分析模型,并通过仿真分析,总结了PWM供电时电压、电流各谐波分量的幅值、相位变化规律,并对比分析了不同供电质量时的转子涡流损耗.仿真结果揭示了PWM供电时各谐波分量的组成及变化规律,同时表明,谐波分量使得转子的涡流损耗显著增加,设计时必须予以考虑.本文的结论可为高速永磁电机的设计及转子涡流损耗的分析提供一定的参考依据.【期刊名称】《大电机技术》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】5页(P18-22)【关键词】高速永磁电机;PWM供电;转子涡流损耗【作者】张经纬;柳长江;祝后权【作者单位】武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TM351高速永磁电机与普通电机相比，具有功率密度大、效率高、几何尺寸小等优点，在燃气轮机发电、高速直驱、分布式发电等领域有广泛的应用前景。
高速永磁电机由于单位体积内的发热远高于常规永磁电机，因此其温升控制是电机设计的重点，而转子是温升控制的难点。
涡流损耗是转子发热的主要原因之一，其准确计算是电机温升计算的基础。
H.Polinder等较早推导了基于电路方程的永磁电机转子涡流损耗解析计算方法[1]，但其默认前提是转子涡流频率较低，透入深度远大于永磁体尺寸。
国内外部分学者建立了基于场方程的永磁电机转子涡流损耗解析计算方法[2-3]，但难以计入高次谐波电流的影响，并且对于形状复杂的磁体仍然难以适用。
《同步磁阻电机和永磁辅助同步磁阻电机的新技术》阅读备忘录一、同步磁阻电机技术同步磁阻电机技术是一种先进的电机驱动技术，具有广泛的应用前景。
该技术基于磁阻原理，通过控制电机内部的磁场分布，实现对电机的精确控制。
与传统的电机相比，同步磁阻电机具有更高的效率和更好的动态性能。
该技术的核心在于电机的结构设计，同步磁阻电机的定子采用特殊设计，通过优化磁场分布和减小磁阻来提高电机的效率。
转子的设计也充分考虑了磁阻效应，使得电机在运行时能够自动适应负载变化，保持稳定的运行状态。
同步磁阻电机的控制策略也是该技术的重要组成部分，通过先进的控制算法，实现对电机电流的精确控制，从而实现电机的调速和定位。
该技术的控制策略还考虑了电机的热特性和电磁兼容性，以确保电机在复杂环境下的稳定运行。
在实际应用中，同步磁阻电机技术已被广泛应用于各种领域。
在工业自动化领域，同步磁阻电机被用于驱动各种机械设备，提高生产效率和产品质量。
在新能源汽车领域，同步磁阻电机技术也被广泛应用于电动汽车的驱动系统中，提高了车辆的续航里程和性能。
同步磁阻电机技术是一种具有广泛应用前景的先进电机技术，通过优化电机结构和控制策略，实现了高效率、高动态性能的电机驱动。
在实际应用中，该技术在各个领域都表现出了卓越的性能和潜力。
1. 同步磁阻电机的定义与原理定义：同步磁阻电机是一种基于磁阻原理工作的电机，其转速与电源频率严格同步。
这种电机通过磁场的建立和控制来实现能量的转换和传递。
工作原理：同步磁阻电机的工作原理基于电磁感应原理和磁饱和效应。
在电机定子中设置的磁场与转子中的导体产生相对运动，导致导体内产生感应电流，进而产生电磁转矩推动转子转动。
其特殊的结构设计使得电机的磁场对电流的响应呈现明显的非线性特征，从而实现高效的能量转换。
特点：同步磁阻电机具有高效率、高功率密度、良好的调速性能和稳定性强的特点。
由于其独特的磁阻效应，同步磁阻电机能够在较宽的转速范围内稳定运行，且对电网电压波动的适应性较强。
第42卷第9期2008年9月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science )Vol.42No.9Sep.2008收稿日期:2007205229.浙江大学学报(工学版)网址:/eng基金项目:浙江省自然科学基金资助项目(Y104442),留学人员科技活动项目择优资助项目.作者简介:周凤争(1981-),男,天津人,博士生,主要从事超高速永磁无刷直流电机的研究.E 2mail :zhoufengzheng @hot 通讯联系人:沈建新,男,教授,博导.E 2mail :j_x_shen @DOI :10.3785/j.issn.10082973X.2008.09.022转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响周凤争1,2,沈建新1,王 凯1(1.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027;2.天津市电力公司技术中心,天津市300040)摘 要:针对转子涡流损耗在高速电机中比较严重的问题,通过有限元分析研究了永磁体分块对转子涡流损耗的影响.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,在转子保护环和永磁体之间增加一层电导率高的铜片.尽管铜片中会产生涡流损耗,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、转子铁心以及保护环中的损耗显著减小,整体上降低了转子涡流损耗.关键词:永磁无刷直流电机;高速电机;转子涡流损耗;永磁体分块;铜屏蔽层中图分类号:TM351 文献标识码:A 文章编号:10082973X (2008)0921587204Influence of rotor structure on rotor eddy 2current loss in high 2speed perm anent m agnet brushless DC motorsZHOU Feng 2zheng 1,2,S H EN Jian 2xin 1,WAN G Kai1(1.College of Elect rical Engineering ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310027,China;2.Technical Center of Tianj in Elect ric Power Corporation ,Tianj in 300040,China )Abstract :Rotor eddy 2current lo ss appears significant in high 2speed permanent magnet brushless DC (PM BLDC )motors.The effect of segmenting magnet s on rotor lo ss was analyzed wit h finite element analysis.Only when t he circumferential widt h of t he magnet segment is smaller t han t he skin dept h ,t he eddy 2cur 2rent lo ss in t he magnet s can be reduced by segmenting ,ot herwise t he eddy 2current loss will increase.By using t he shielding effect of t he eddy 2current magnetic field ,a copper shield wit h high conductivity was used between t he retaining sleeve and magnet s.Alt ho ugh eddy 2current loss is induced in t he copper shield ,t his eddy 2current magnetic field reduces t he harmonic field in t he air 2gap ,so t hat t he lo ss in t he magnet s ,rotor yoke and retaining sleeve are cut down dramatically ,resulting in a reduction of t he overall rotor eddy 2current lo ss.K ey w ords :permanent magnet brushless DC motor ;high 2speed motor ;rotor eddy 2current loss ;magnet segment ;copper shield 近年来,高速永磁无刷直流电机因其高功率密度、高效以及良好的可控性等优点越来越得到工业界的青睐.目前高速电机的发展仍然受到一些技术问题的限制.例如,转子涡流损耗在中、低速无刷直流电机中往往是可忽略的,但是在高速无刷电机中比较严重,会引起转子永磁体过热与不可恢复性退磁.转子涡流损耗主要是由定子电流的时间和空间谐波以及由定子槽开口引起的气隙磁导变化所产生的.在高速永磁无刷直流电机中转子涡流损耗一般比风摩损耗严重,有必要采取必要的措施来降低转子涡流损耗.例如,周凤争等人[1]对比研究了定子结构对转子损耗的影响,Isao 等人[2]通过在逆变器的直流侧调节电流的方法来降低电枢电流的时间谐波分量以及通过增加气隙长度的方法来降低转子涡流损耗.Kais 等人[3～5]通过对转子永磁体分块的方法来减小转子永磁体中的涡流损耗,可文中假设谐波磁场在永磁体中的透入深度远远大于永磁体的厚度和宽度,并且忽略了永磁体中涡流磁场对谐波磁场的屏蔽作用.由于永磁体的透入深度和谐波频率的平方根成反比,随着转速的提高,文献[3～5]的假设就不成立了.本文的研究结果也证明:当永磁体周向宽度大于谐波磁场的透入深度时,永磁体分块并不能减小永磁体中的涡流损耗.Zhou 等人[6]证明了永磁体中的涡流磁场对高速电机磁场影响很大,不能忽略.本文利用涡流磁场对谐波磁场的屏蔽作用,通过在转子保护环和永磁体磁环之间增加一层高电导率铜片的方法来减小转子损耗,分析表明该方法能进一步减小转子涡流损耗.1 永磁体分块对转子损耗的影响本文设计了一台额定电压、额定功率和转速分别为60V 、2kW 和150×103r/min 的2极、3相永磁无刷直流电机.其初始结构如图1所示,表1列出了电机的设计参数.表中:q 、R o 、R s 、R sl 、R m 、R y 和L a 分别为每相绕组匝数、定子外径、定子内径、保护环外径、永磁体外径、转轴外径和定子铁心长度.图1 高速永磁无刷直流电机Fig.1 High 2speed PM BLDC machines表1 电机的设计参数Tab.1 Machine design parametersq R o /mmR s /mmR sl /mm R m /mmR y /mmL a /mm835151210736电机额定运行时的电流波形如图2所示,电机运行于两两导通三相六状态方式.转子坐标系的三相等效电流表达式为[4]图2 额定运行时的电流波形和频谱Fig.2 Waveform and spectrum of rated phase currentJ (1)=∑∞k =032J n cos ((n -1)ωt -θ),n =3k +1;J (2)=∑∞k =0-32J n cos ((n +1)ωt +θ),n =3k +2;J (3)=0,n =3k;J (θ,t )=J (1)+J (2)+J (3).(1)式中:k =0,1,2,…;n 表示时间谐波的次数;ω代表转子电角速度;J n =(2N s I n /(πR s ))K w n ,其中N s 、I n 、R s 和K w n 分别为定子每相串联匝数、n 次谐波电流幅值、定子内半径和绕组系数.电流仅存在奇数次谐波分量,电流的基波分量(n =1)合成的电枢磁场和转子磁场同步,不会在转子中产生涡流损耗,从公式(1)中可以看出,5次和7次时间谐波分量合成的电枢磁场以6倍转子角速度相对转子旋转,11次和13次时间谐波分量合成的电枢磁场以12倍转子角速度相对转子旋转,依此类推.所以,相对转子而言,这些谐波分别是6次、12次、18次…谐波,与转子异步,在转子中产生大量的涡流损耗,是转子涡流损耗的主要部分[7].为了提高转子的机械强度,在永磁体表面包裹一层高强度的非磁性材料碳素纤维保护环,永磁体采用耐高温的钐钴,转轴采用导磁不锈钢2Cr13.在额定转速时,各次谐波磁场在转子中的透入深度如表2所示.表中d 代表谐波磁场的透入深度.本文采用暂态有限元模型分析了永磁体周向分块对转子涡流损耗的影响.图3示出了永磁体分块数(m )为1、2、4、18和36块的模型.图4是相应模8851浙 江 大 学 学 报(工学版) 第42卷 表2 谐波磁场的透入深度Tab.2 Skin depths in different rotor materials nd /mm永磁体碳素纤维转轴6 2.7722.60.1612 1.9616.00.11181.6013.10.09型下永磁体中的涡流损耗P m .当永磁体的分块数m 小于18时(此时永磁体的周向宽度大于谐波磁场在永磁体中的透入深度),谐波磁场在永磁体中产生的涡流反而增强,永磁体分块和单一永磁磁环相比,涡流损耗会增加很多.只有当永磁体的宽度小于透入深度时,永磁体中的涡流才会减弱,损耗才会降低.这从表3中可以看出来,P m 、P c 、P s 和P r 分别表示永磁体中、碳素纤维保护环中、转轴中的涡流损耗以及总的转子涡流损耗.表3 转子涡流损耗Tab.3 Rotor loss with segmenting magnets WmP mP cP sP r19.600.730.1710.50211.90 1.29 1.3714.56421.00 2.83 2.2726.10817.54 6.277.4431.2518 5.508.8310.3624.6936 1.989.0810.9722.03 再对转子的总体涡流损耗进行考察.采用永磁磁环时,永磁体的涡流对保护环和转轴有屏蔽作用,谐波很难透入到转轴里面,因此转轴和保护环中的损耗很小.随着永磁体分块的增加,涡流磁场的屏蔽作用减弱,损耗由永磁体转移到了转轴和保护环中.当永磁分块的宽度小于其透入深度时,虽然永磁体中的涡流损耗减小了,但是转轴和保护环中的损耗增加很多,使转子总体损耗仍然很高.从表3可以看出,随着永磁体分块数的增加,转子总体涡流损耗随之增加,只有当分块数很大时(例如18块以上),转子总体涡流损耗才呈现下降的趋势.但是在实际电机中不可能将永磁体分成那么多块.因此对于高速永磁无刷直流电机来说,永磁体不适合分块,这与中、低速电机中的情况恰好相反.由于中、低速电机中透入深度大,容易满足永磁体周向宽度小于透入深度的要求.2 屏蔽层对转子损耗的影响由第1章的分析可知永磁体中的涡流能抵消气隙谐波磁场,对转子涡流损耗有屏蔽作用,利用这一规律,在转子永磁体和保护环之间加一薄层铜片做为屏蔽层来减小转子涡流损耗,其结构如图5所示.图6对比了铜屏蔽层对转子损耗的影响.当铜屏蔽环的厚度取为0.5mm (等于额定转速时的6次谐波磁场在铜环中的透入深度)时,涡流损耗主要集中在铜屏蔽环中,铜环中的涡流对谐波磁场有屏9851第9期周凤争,等:转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响蔽作用,减小了转子其他部分的损耗,尤其使永磁体中的损耗从10W降低到0.3W,转子总体涡流损耗降低了40%.3 结 语本文分析了不同的转子结构(永磁体分块和铜屏蔽层)对高速永磁无刷直流电机转子损耗的影响.分析表明,只有当永磁体周向分块的宽度小于谐波磁场在永磁体中的透入深度时,永磁体分块才能减小永磁体的涡流损耗,反之,不能减小永磁体中的涡流损耗.对于转子为永磁磁环的情况,涡流损耗主要集中在永磁体中,其中的涡流对谐波磁场有屏蔽作用,使得谐波很难透入到转轴中,因此转轴中的涡流损耗很小.永磁分块后,永磁体中涡流的屏蔽作用减弱,使得转子总体损耗增加.利用涡流的屏蔽作用,本文在保护环和永磁体之间增加了一薄层电导率很大的铜片,分析表明铜屏蔽层不仅使得永磁体和保护环中的损耗大幅减小,而且使转子总体涡流损耗降了40%,进一步降低了转子损耗.因此高速永磁电机的转子结构可采用带铜屏蔽层的磁环结构.参考文献(R eferences):[1]周凤争,沈建新,林瑞光.从电机设计的角度减少高速永磁电机转子涡流损耗[J].浙江大学学报:工学版, 2007,41(9):158721591.ZHOU Feng2zheng,SH EN Jian2xin,L IN Rui2guang.Reduction of rotor loss in high2speed PM motors by de2 sign method[J].Journal of Zhejiang U niversity:E ngi2 neering Science,2007,41(9):158721591.[2]ISAO T,TA KEHISA K,SU Gui2jia,et al.A superhigh speed PM motor drive system by a quasi2current source inverter[J].IEEE T ransactions on I ndustry Application,1994,30(3):6832690.[3]KA IS A,HOWE D,P HIL IP M,et al.Rotor loss inpermanent2magnet brushless ac machines[J].IEEE T ransactions on I ndustry Application,2000,36(6): 161221618.[4]HIROA KI T,XIA Zhen2ping,WAN G Jia2bin,et 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