用于空压机的高速电机的设计和分析

高义冬，马哲树

（江苏科技大学 电子信息工程学院，江苏 镇江 212003）

用于空压机的高速电机的设计和分析

高义冬，马哲树

（江苏科技大学 电子信息工程学院，江苏 镇江 212003）

本文对一款130 kW，转速为31 500 rpm用于空气压缩机的高速永磁电机进行了设计和分析。针对高速电机的设计指标，选择电机材料并采用磁路法计算出电机的各尺寸参数。利用有限元软件对所设计电机进行电磁场分析，同时分析电机的定转子损耗。然后通过分析电机护套材料和永磁体充磁方式，来达到减小电机内部损耗，降低温度，提高电机性能的目的。

高速电机；有限元；电磁场分析；损耗分析

空气压缩机作为“十二五”规划期间重点关注的一类设备，其主要发展方向就是节能，一级能效工业用空气压缩机和二级能效工业用空气压缩机成为重点照顾的机型。通常作为空气压缩机的电机有感应电机，无刷直流电机，高速永磁电机等。由于高速永磁电机比高速感应电机具有更高利用率，更好的功率因数和更高的效率，被认为非常值得研究。而且设计一个高速永磁无刷电机的转子比高速感应机更复杂。而高速电机由于具有转速高、电机尺寸小、功率密度大、效率高等显著优点，在高速压缩机、储能飞轮、纺织、高速磨床、燃气涡轮机等方面具有广阔的应用前景。文献[1]阐述了一台功率为8 MW，转速为15 000 rpm，用于压缩机的高速永磁电机在石化行业的应用。该电机定子采用低损耗硅钢片，转子轴承采用主动磁力轴承和滚动轴承，并采用转子动力学原理分别对两种不同类型的轴承进行了比较。文献[2]对一台用于离心式压缩机的高速高效感应电机进行了电磁和机械设计，并对3种不同类型的电机（开关磁阻电机，永磁同步电机，感应电机）的电磁特性，损耗，机械特性进行了比较。文献[3]介绍了一个高速，高功率密度直流无刷电机，功率为50 kW，70万rpm级离心压缩机的设计和分析。用理论分析方法对高速电机的结构设计准则和功率损耗进行分析，并用有限元法对结果结果进行了验证。

针对应用在空气压缩机上的高速永磁电机有最大功率的限制，在转速为30 000 rpm时，电机的最大功率为130 kW，所以本文对一款130 kW，转速为31 500 rpm用于空气压缩机的高速永磁电机进行了设计和分析，针对高速电机的设计指标，选择电机材料并计算出电机的各种参数。利用有限元软件对所设计电机进行电磁场分析，同时分析电机的定转子损耗，然后通过分析电机护套材料和永磁体充磁方式，来达到减小电机内部损耗，降低温度，提高电机性能的目的。

1 高速永磁电机的设计

1.1 转子设计

转子采用的是永磁体面装式结构也叫表贴式，这种结构结构具有良好的对称性，但由于高速电机转速较高且永磁材料能承受的拉应力较小，所以为了防止永磁体因受到巨大的离心力而遭到破坏，需要在永磁体外表面加一层保护套。永磁材料的种类很多，并且材料之间的性能差别较大，因此选择合适的永磁体材料在永磁电机设计时至关重要。常见的用于电机的永磁材料包括铁氧体永磁材料、铝镍钴永磁材料、稀土钴和钕铁硼永磁材料。高速电机由于磁场频率高，要求永磁材料具有高的剩磁和矫顽力，从性能和成本的角度考虑钕铁硼永磁材料是较好的选择。它不含钴这种战略物资，要比稀土钴的价格便宜得多。

1.2 极数选择

高速电机的极数较少，一般采用2极或4极。2极电机的优点是:便于永磁体采用整体结构和整体充磁，可保证永磁转子机械和电磁性能的对称性。2极电机的另一优点是定子铁心磁场和绕组电流的频率仅为4极电机的一半，有利于减少电机定子的铁耗和铜耗[4]。所以本文电机极数采用2极。

1.3 定子设计

定子铁心结构分为两种，有槽结构和无槽结构。有槽结构能减少两极之间的漏磁，而且可以增加绕组和定子铁心表面的接触面积，提供一个较低的热阻路径，这对绕组和转子的散热很重要。本文采用梨型槽结构，分布式绕组，双层结构，节距为15，定子材料采用DW315_50硅钢片[5]。

1.4 高速电机方案的确定

以130 kW高速永磁同步电机为研究对象，通过采用磁路法计算额定数据和主要性能指标（如表1所示），所得电机各尺寸参数如表2所示。

表1 额定数据和主要性能指标Tab.1 Nominal data and the main performance indicators

表2 尺寸参数Tab.2 Size parameters

2 高速永磁同步电机电磁场的分析

用于空气压缩机的高速永磁同步电机三维模型如图1所示。由电机的永磁体产生的磁力线分布图如图2所示，由永磁体产生的磁力线矢量图如图3所示。

图1 高速电机三维模型Fig.1 The 3D model of the high-speed machines

图2 电机磁力线分布Fig.2 The lines of magnetic force distribution

由图2所示可知，永磁同步电机磁力线是由永磁体产生的，磁力线的流向路径为定子齿、定子轭、定子齿、气隙、定子轭，定子齿，且定子轭中的磁密明显大于线圈中的磁密。由上图结果可知，永磁电机的磁通的分布和走向合理，漏磁通比较少，漏磁系数也较小，永磁体利用率高，符合电机设计要求。

图3 电机磁力线矢量分布Fig.3 The lines of magnetic force vector distribution

图3中的箭头为磁力线的流动的方向，由上图可知电机中的磁力线是由永磁体产生，流经定子齿、定子轭和气隙，并最终回到定子齿，构成了一个封闭的回路，和实际理论相符。

3 高速永磁电机损耗分析

3.1 定子损耗

定子的损耗主要有铁耗和定子绕组中的铜耗两种。一般在电机中，铜耗占的比重较大，但是由于高速电机铁芯的磁场变化频率较高，所以铁耗远远大于铜耗。因此精确计算高速永磁电机的铁耗是本电机设计的一项重要内容。

在铁耗计算中，按照铁耗产生的机理不同，将铁耗分为磁滞损耗，涡流损耗和附加损耗，建立分离铁耗模型，进行电机铁耗计算。有限元软件ANSOFT计算电机瞬态场的铁耗，其原理就是根据分离铁耗模型，其中磁滞损耗计算指数α，β一律被认为等于2。软件内部铁耗计算依据公式如下：

式中kh是磁滞损耗系数，ke是涡流损耗系数，kexc是附加损耗系数，h是磁滞损耗计算系数[6]。

电机的铁耗与电机的频率有着密切的关系，当电机的频率增加时，电机的铁耗与电机的平方成正比，图4描述的是在电机启动过程中电机铁耗随转速变化的曲线。

图4 铁耗随转速变化曲线Fig.4 The curve of iron loss varies with the speed

从图中可以看出，从低速到31 500 r/min的高速，铁耗增长的很快。那是因为当转速从0开始时，电机转子永磁体的转速也要从0开始，这就使得转子永磁体在定子上形成的磁场的交变频率也是从低到高变化的，所以会形成图中所示曲线。

表面式高速永磁电机的定子铁芯损耗不仅与交变频率和幅值有关，而且与磁场波形密切相关。本文利用有限元的方法，分析电机气隙磁场波形和旋转速度（磁场交变频率）对定子铁耗的影响。在于永磁电机中，主要的充磁方式有平行充磁，径向充磁，halbach充磁等，而平行充磁和径向充磁在永磁体充磁中是最常用。但这两种充磁方式得到的空载气隙磁场波形是不同的，利用有限元软件建立两极高速永磁电机模型，可以分别得到两种充磁方式的气隙磁场分布波形如图5和图6。由图5和图6看以看出，电机平行充磁时磁密波形接近正弦波，而径向充磁时磁密波形呈梯形分布。

图5 平行充磁气隙磁密波形Fig.5 The air gap flux density waveform of parallel magnetization

图6 径向充磁气隙磁密波形Fig.6 The air gap flux density waveform of radial magnetization

分别对平行充磁和径向充磁的磁场波形做傅立叶分解，得到平行充磁和径向充磁时的基波分量和谐波分量，如图7~10所示。

图7 平行充磁气隙磁密基波波形Fig.7 The air gap flux density wave of parallel magnetization

图8 平行充磁气隙磁密谐波分量Fig.8 The air gap flux density harmonic component of parallel magnetization

图9 径向充磁气隙磁密基波波形Fig.9 The air gap flux density wave of radial magnetization

两种充磁方式得到的气隙磁密基波相差不大。平行充磁时3次谐波分量较小，相对于基波比例也小，径向充磁的3次，5次谐波较为明显，相对于基波占的比例也大，空载气隙磁密也相对复杂。

对比两种充磁方式，因为径向充磁时谐波分量较大，所以每极磁通和定子铁芯磁密均大于平行充磁，因此径向充磁时定子空载铁耗较大。通过对比可知电机采用平行充磁较为有利。

图10 径向充磁气隙磁密谐波分量Fig.10 The air gap flux density harmonic component of radial magnetization

在空载有限元分析时选取不同的转速，就可以分析高速永磁电机转速和电机定子铁耗之间的关系。图11反应的是在平行充磁方式下，不同转速对定子铁芯损耗的影响。

图11 定子铁耗随转速变化曲线Fig.11 The stator iron loss vary with speed

由图11可知，普通低速永磁电机的铁耗一般很小，对电机性能影响不大。但是随着转速的提高，定子铁芯损耗增长的很快，铁耗也就成为定子损耗中主要考虑的问题。

3.2 转子损耗

高速永磁同步电机转子由4个部分组成，分别为电机轴、转子铁芯、永磁体和不导磁套筒，而转子中的损耗主要有机械损耗和涡流损耗两种。其中机械损耗是指空气摩擦损耗。一般电机转子的涡流损耗相对于定子损耗来说是非常小的，但产生涡流损耗时，会使永磁体温度升高产生退磁，特别严重时会产生不可逆退磁。所以本节深入探讨了降低转子涡流损耗的方法。

保护环材料分别采用电导率为1 100 000（s/m）的不锈钢材料和电导率为34 500（s/m）的碳纤维。这两种材料都是不导磁的高强度材料，永磁体采用N38SH。其电导率为2 000 000（s/m）。采用瞬态有限元分析不同电导率材料对转子涡流损耗的影响。图12为电机永磁体涡流损耗。表3对两种不同护套结构的涡流损耗进行了对比分析。

图12 电机永磁体涡流损耗Fig.12 The eddy current loss of permanent magnet

表3 不同护套的涡流损耗对比Tab.3 Comparison of different sheath eddy current loss

4 结 论

文中对130 kW，转速为31 500 rpm用于空气压缩机的高速永磁同步电机的尺寸参数进行了计算，分析了5种不同槽数的电机方案。利用有限元软件对所设计电机进行电磁场分析。同时对这种电机方案进行定转子损耗分析，结果表明采用平行充磁方式和碳纤维作为护套材料可以减小电机内部损耗，降低温度，提高电机性能。

[1]Bailey C，Saban D M，Pinto P G.2009.Design of high-speed direct-connected permanent-magnet motors and generators for the petrochemical industry[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2009，45（3）：1159-1165.

[2]Soong W L，Kliman G B，Johnson R N，et al.Novel highspeed induction motor for a commercial centrifugal compressor[J].IEEE Transactions on Industry Applications，2000，36（3）:706-713.

[3]Seok-Myeong Jang，Han-Wook Cho，Sang-Kyu Choi.Design and analysis of a high-speed brushless Dc motor for centrifugal compressor[J].IEEE Transactions on Magnetics，2007，43（6）2573-2575.

[4]王凤翔.高速电机的设计特点及相关技术研究[J].沈阳工业大学学报，2006，28（3）:259-260.

WANG Feng-xiang.Study on design feature and related technology of high speed electrical machines[J].Journal of Shenyang University of Technology，2006，28（3）:259-260.

[5]于涛.高速永磁发电机定子结构设计及其损耗计算[D].沈阳：沈阳工业大学，2006.

[6]徐云龙.高速永磁电机损耗计算与热分析[D].沈阳：沈阳工业大学，2009.

Design and analysis of a high-speed machine for air compressor

GAO Yi-dong，MA Zhe-shu
（School of Electrical and Information， Jiangsu University of Science and Technology， Zhenjiang 212003， China）

This paper describes the design and analysis of a high-speed permanent magnet machines for a 130 kW，31 500 rpm class air compressor.According to the design criterion of high-speed motor，chose the material of motor and calculate the size parameters of the machine with magnetic circuit method.Using finite element software，the electromagnetic field of this prototype are analyzed and stator and rotor loss are calculated at the same time.And then，by analyzing the sheath material and magnetization manners of the permanent magnet，to reduce the motor internal loss，reduce the temperature and improve the motor performance.

high-speed machine； finite element； electromagnetic field analysis； loss analysis

[TN98]

A

1674-6236（2014）15-0122-04

2013-09-26 稿件编号：201309202

高义冬（1988—），男，江苏扬州人，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。