资源描述
,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,稀土永磁电机研究与多物理场分析,唐 任 远,国家稀土永磁电机工程技术研究中心,第1页,靠电流,产生,稀土永磁,产生,效率低,功率因数低,可靠性低,高效、高功率因数,结构简单、运行可靠,体积小、重量轻,形状和尺寸灵活多样,电 机 磁 场,反应快，动态性能好,第2页,稀 土 永 磁 电 机,与电力电子技术、当代控制技术等先进技术相结合,能够部分替换传统电励磁电机,能够实现电励磁电机所难以到达高性能,第3页,稀土永磁电机发展方向,大功率化,高功效化,微型化,小 型,大 型,功 率,体 积,重 量,几mW,直径0.8mm、长1.2mm,几十 MW,直径12m,一百多吨,转 速,几小时1转,每分钟几十万转,第4页,应用场所,遍布计算机、工程装备、交通运输、风力发电、家用电器、医疗设备、航空、航海、航天、兵器等各个领域，显示出了强大生命力。,电机结构,也不再局限于传统径向磁通结构，出现了无铁心、轴向磁通、横向磁通、直线、双定子、双转子等新型结构。,第5页,中国稀土资源丰富,品种全、质量高、得天独厚！,年世界稀土资源分布情况,第6页,1996年,年,烧结钕铁硼产量分布,我国钕铁硼永磁产量占绝对优势,第7页,中国稀土矿储量居世界首位，烧结钕铁硼永磁产量约占世界总产量四分之三左右。这一得天独厚丰富资源为中国稀土永磁电机发展和应用提供了极为有利条件。,第8页,稀土永磁电机追求到达高功率密度、高效率、高动态响应和低速平稳性、低振动噪声,电机电磁负荷高，结构新奇而又多样，增加了设计分析、仿真计算和研究开发复杂性。,第9页,电机内存在着各种不一样类型多场耦合系统,包括到电磁、机械、电子、流体、热学等多个学科,相互影响,利用和发展多场耦合系统，搞清各种场分布规律及其控制技术。在此基础上对各种参数进行综合分析比较和优化。,第10页,分 类,1,新型结构永磁电机,2,永磁发电机,3,交流永磁伺服电动机,4,高效异步起动永磁电动机,第11页,1,新型结构永磁电机,第12页,伴随电动车、磁悬浮列车和舰船电力推进等大功率电气传动技术发展,人们对低速、高转矩密度、直接驱动电机要求日益迫切,以减小电机体积、重量和原材料消耗,提升电机功率（转矩）密度。,第13页,轴向磁通（盘式）永磁电机,横向磁通永磁电机,无铁心永磁电机,为更加好地适应这些特殊行业需要，在传统径向磁通永磁电机基础上出现了:,第14页,1.1,盘式永磁电机,盘式永磁电机气隙是平面型，气隙磁场是轴向，能够使电机制成扁平型，可取得很高转矩密度。如制成多气隙组合式结构，能够深入提升转矩，尤其适合于大转矩直接驱动装置。,第15页,1.1,盘式永磁电机,盘式永磁电机结构,a)单边,b)外转子,c)内转子,d)多盘,第16页,1.1,盘式永磁电机,盘式永磁电机优点是转矩密度高，由此带来关键技术之一是冷却系统合理设计和电机温度场分布，需要进行三维流场-温度场耦合分析。,第17页,1.1,盘式永磁电机,电机温度场分布取决于冷却介质和损耗分布，为了能够取得电机温度准确分布，需要建立永磁电机磁场电路流场温度场耦累计算模型，在产品开发阶段完成热性能分析，从而降低试验成本，缩短设计周期。,第18页,磁场分布,磁场电路耦累计算,电流波形,1.1,盘式永磁电机,第19页,磁场电路耦累计算,焦耳热,流场温度场耦累计算热源,1.1,盘式永磁电机,第20页,1.1,盘式永磁电机,流速分布,转子温度场分布,电机整机温度场分布,第21页,180kW盘式永磁电机,其转矩密度达8.5,kN/m,2,，为传统电机2倍左右。,1.1,盘式永磁电机,第22页,1.2,横向磁通永磁电机,传统电机齿和槽在同一平面内，齿宽和槽宽相互制约。改成横向磁通电机后能够使转矩密度相当于传统结构电机25倍，尤其适合用于车、船等直接驱动场所。,传统径向磁通电机,磁路,第23页,1.2,横向磁通永磁电机,横向磁通永磁电机结构复杂,内部磁场呈复杂三维分布,在转子和定子铁心齿部,磁通沿径向流通,而定子铁心轭部磁通沿轴向流通,流通方向相互垂直。,横向磁通电机磁路,需要用三维电磁场分析计算来搞清其电磁场分布规律和优化设计规律，进而提升其性能。,第24页,横向磁通电机一个经典结构图,1.2,横向磁通永磁电机,第25页,定 子 结 构,1.2,横向磁通永磁电机,第26页,转 子 结 构,1.2,横向磁通永磁电机,第27页,1.2,横向磁通永磁电机,电机磁密分布,端部漏磁很大。,定子齿外端磁密较低，越往里齿磁密越高，在轭部与齿部交接面最高。,第28页,1.2,横向磁通永磁电机,气隙磁密分布图,每一个气隙带磁密分布相间，呈半正弦波形磁密分布，即一段磁密到达正最大幅值，而相连下一段则出现零磁密。,第29页,1.2,横向磁通永磁电机,气隙磁密分布图,对于内外气隙磁密带，分布恰好相对，即外气隙带出现磁密正最大幅值时，内气隙带则出现零磁密，反之亦然。,第30页,1.2,横向磁通永磁电机,15kW横向磁通永磁电机照片,功率因数为0.8，转矩密度为传统电机2.5倍左右。,第31页,横向磁通永磁电机试验中,1.2,横向磁通永磁电机,第32页,传统电机磁场是由电流产生，为了降低磁路磁阻，都选取高磁导率硅钢片叠压制成定、转子铁心，造成体积大、重量大(铁心重占总重60%左右)、损耗大(铁心损耗占总损耗20%30%)、振动噪声大(铁心有齿有槽是产生电磁噪声根源)，难以满足高性能调速系统要求。,1.3,无铁心永磁电机,第33页,利用钕铁硼永磁高矫顽力（约900kA/m）优异特征而不用或少用硅钢片，制成无铁心永磁电机，则电机重量能够大幅度下降、效率提升、振动噪声显著降低，同时含有更低转动惯量、更加快响应速度、更宽调速范围、更长使用寿命。,1.3,无铁心永磁电机,无铁心电机三维磁场是开域，分析计算关键技术之一是怎样确定三维开域场边界条件和对计算结果有效处理。,第34页,无铁心永磁电机气隙表面磁密矢量分布,无铁心电机磁密矢量分布图,从图中能够看出,沿圆周方向,磁场呈周期性分布,在电机端部有一个很大轴向分量磁密。,1.3,无铁心永磁电机,第35页,已制成2.2kW 8极无铁心永磁电机实物照片，其效率90，功率密度比传统电机提升1倍以上，噪声57dB。,电机定子,、转子实物照片,1.3,无铁心永磁电机,第36页,无铁心电机与同规格Y2系列感应电动机对比分析,电机型号,Y2-132S-8,TYB2200-750,比较结果,中心高,132,112,额定功率/W,2200,2200,效 率/,78.0,89.8,提升11.8,功率因数,0.71,0.95,提升0.24,功率密度/Wkg,1,33.85,68.75,提升103,噪声/dB(A),71,57,降低14dB（A）,1.3,无铁心永磁电机,该类电机在数控机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等要求较高控制场所含有辽阔应用前景。,第37页,2,永 磁 发 电 机,第38页,永 磁 发 电 机,直驱低速永磁风力发电机,半直驱式永磁风力发电机,混合励磁发电机,第39页,2.1 直驱低速永磁风力发电机,当前，兆瓦级风力发电机在风电场中占主导地位，而直驱永磁风力发电机组应用越来越广泛，它,省去了增速齿轮箱,，,大大提升了可靠性和效率,，,提升了单位kW发电量,。国内已成功开发出13MW直驱永磁风力发电机，每分钟只有十几转。,第40页,单支撑结构直驱式永磁风力发电机结构图,2.1 直驱低速永磁风力发电机,第41页,2.1 直驱低速永磁风力发电机,因为电机结构及受力情况比较复杂，采取传统计算已经不能满足要求，故需采取有限元软件对电机进行强度和刚度分析计算。,第42页,计算时对模型接触进行一定简化，对模型施加对应载荷及约束进行强度分析，可得到不一样构件位移场分布矢量图及重力方向位移云图。,2.1 直驱低速永磁风力发电机,转子支架,位移场分布矢量图及重力方向位移云图,锥形支撑位移场分布矢量图及重力方向位移云图,第43页,2.2 半直驱式永磁风力发电机,因为在一样功率时，电机重量与其转速成反比，MW级直驱永磁风力发电机重几十吨，甚至一百多吨，运输和吊装都比较困难。,发电机吊装图,第44页,每台电机用钕铁硼永磁1吨多。所以又出现了经一级齿轮增速半直驱式永磁风力发电机，150200rpm，重量能够成倍减小。,半直驱永磁风力发电机,2.2 半直驱式永磁风力发电机,第45页,2.3 混合励磁发电机,在发电机运行中为了保持电压不变，需要进行磁场调整。对于永磁发电机来说，转速改变或负载电流改变会造成输出电压变动，但因为永磁电机气隙磁场是由永磁体和磁路磁导决定，调整气隙磁场困难而造成电压调整困难。,第46页,综合电励磁及永磁体励磁两种电机优点,混合励磁同时发电机,能够依据电压改变经过改变电励磁电流大小和方向来调整磁场，进而调整电压,实现了无刷化，免维护,辅助电励磁部分损耗小，保留了永磁发电机高效率特点,2.3 混合励磁发电机,第47页,混合励磁发电机一个经典结构,2.3 混合励磁发电机,第48页,以一台功率为7.5kW、4极混合励磁发电机为例,样机定子和转子,2.3 混合励磁发电机,第49页,该电机含有以下特点：,（,1,）不加电励磁时，发电机,固有电压调整率,为10.72%；加电励磁时，发电机电压调整率仅在1%范围内,(3),效率高,，在额定负载时，效率达91.26%,(4)空载线电压,波形畸变率,小，仅为1.98%,(2),调整特征,基本呈直线分布，调整特征好,2.3 混合励磁发电机,第50页,3,交流永磁伺服电动机,第51页,高性能永磁交流伺服电动机优点有,动态响应速度快,低速平稳性好,效率高、功率因数高,转动惯量小,它广泛用于机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等场所。,第52页,3.1 转矩脉动仿真及抑制,近年来永磁交流伺服电机采取,槽数与极数靠近分数槽绕组,越来越多，经过三维电磁场分析可得，因为采取槽数与极数相近分数槽绕组，在电机漏磁通中存在着齿顶漏磁通。,齿顶漏磁示意图,第53页,永磁体产生磁通经过气隙进入定子后，有一部分经过定子齿后又返回转子，并未匝链定子绕组，这部分磁通称为,齿顶漏磁通,。,当极数和槽数相近时，齿顶漏磁通占整个漏磁通百分比很大，有高达50.4%，需要进行详细分析计算。,3.1 转矩脉动仿真及抑制,第54页,不一样,极槽配合,分数槽绕组产生谐波次数及大小都是不一样，由此产生脉动转矩大小不尽相同，采取有限元分析软件进行场路耦合仿真。,8极9槽转矩脉动曲线,不一样极槽配合下转矩波动,极槽数,8-9,8-36,8-48,转矩波动,9.4%,13.2%,17.6%,3.1 转矩脉动仿真及抑制,第55页,对,齿槽转矩,需采取各种办法加以,抑制,，如：,3.1 转矩脉动仿真及抑制,这些使三维磁场计算更为复杂。,优化磁极形状,将定子槽斜槽或永磁体斜极,增设辅助槽,优化极弧因数,第56页,办法之一是,斜极,在径向磁通电机中斜极永磁体机构,在轴向磁通电机中斜极结构,3.1 转矩脉动仿真及抑制,第57页,3.2三维瞬态磁场声场耦合分析电机振动噪声,高性能伺服系统要求电机振动噪声很低，需要采取振动噪声抑制技术，为此需要进行三维瞬态磁场-声场额耦合分析计算。,第58页,声场分析是流体结构相互作用耦合场计算，是瞬态声学分析。,流体和结构在网格界面处相互作用引发声压施加给结构一个强迫力，而且结构运动产生一个有效“流体载荷”。,流固耦合边界标志,3.2三维瞬态磁场声场耦合分析电机振动噪声,第59页,a）定子四阶模态 b）整机七阶模态,模 态,样机,计算值/dB(A),试验值/dB(A),误差(%),1,62.8,60.76,3.4,2,76.2,72.51,5.1,3,82.9,82.0,1.1,有限元计算噪声与试验结果对比,3.2三维瞬态磁场声场耦合分析电机振动噪声,第60页,节点压力云图,节点位移云图,3.2三维瞬态磁场声场耦合分析电机振动噪声,有限元计算振动速度与试验结果对比,样机,计算值/mms,-1,试验值/mms-1,误差(%),1,1.51,1.53,1.3,2,0.992,1.02,2.7,第61页,针对8极9槽、8极36槽和8极48槽三台径向结构永磁同时电动机对它们噪声大小进行分析计算。选取了8极9槽、8极36槽和8极48槽三台径向结构永磁同时电动机对它们噪声大小进行分析计算。,不一样极槽配合电磁噪声计算,极槽配合,计算值dB（A）,实测值dB（A）,误差(%),8极9槽,71.44,70,2.06,8极36槽,55.76,59.6,6.44,8极48槽,54.14,50.7,6.79,3.2三维瞬态磁场声场耦合分析电机振动噪声,第62页,在由脉宽调制（PWM）控制永磁交流电动机组成系统中，电流开关频率和时间谐波影响更为显著。电动机噪声与振动主要取决于以下几个原因：（1）,极数和槽数配合,；,（2）,工作频率,；,（3）,逆变器开关（载波）频率,；（4）,机械固有频率和系统模态,。,3.2三维瞬态磁场声场耦合分析电机振动噪声,第63页,空载声压级随开关频率和基波频率改变,从开关频率改变规律可见，开关频率越高，噪声越低。,3.2三维瞬态磁场声场耦合分析电机振动噪声,第64页,3.3 高精度高速交流永磁伺服电动机,右图显示开发机床用交流伺服电动机,机床用交流伺服电动机,第65页,交流伺服电机使用中,3.3 高精度高速交流永磁伺服电动机,第66页,机床用交流伺服电机主要性能指标,性能指标,堵转转矩,6Nm,12Nm,22Nm,效率/%,84.5,90.9,89.1,功率因数,0.94,0.97,0.98,转动惯量/(kgm),0.0025,0.0084,0.0125,振动/(mms,-1,),1.2,1.8,2.5,噪声/dB（A）,64.2,59.9,74.0,3.3 高精度高速交流永磁伺服电动机,第67页,3.4,直驱低速交流永磁伺服电动机,开发无齿轮曳引电梯用永磁同时电机含有以下几个优点：,1、结构简单,，不需要减速箱，工艺愈加简单，同时减小体积和重量，提升有效空间利用率。,2、振动小噪声低,，尤其是在低速运行区域，优势愈加显著，运行稳定，调速精度高。传统有齿轮曳引电梯噪声大部分来自于齿轮箱产生机械振动和高速旋转电动机本身振动和噪声。,3、,因为实现了无齿轮调速，省去了齿轮上损耗，,提升了效率,。同时采取永磁体励磁后，不需要励磁电流，没有励磁损耗，也可使效率提升。,4、,可布置出,各种曳引方式无机房电梯,，即使在有机房和小机房布置时也显示出较高自由度和灵活度。,5、安全、可靠、舒适度好。,第68页,原有齿轮传动曳引机,，即使电机效率高达94%，但因齿轮箱存在，综合效率仅为65左右，且振动噪声很大，维护也较困难。,现采取,无齿轮曳引,后，效率可提升近25个百分点，有功节电率可达28.9。,3.4,直驱低速交流永磁伺服电动机,第69页,电梯电机实物照片,曳引机用交流伺服电机结构图,3.4,直驱低速交流永磁伺服电动机,第70页,电机磁密分布图,3.4,直驱低速交流永磁伺服电动机,第71页,电机磁力线分布图,3.4,直驱低速交流永磁伺服电动机,第72页,4,超超高效异步起动,永磁电动机,第73页,据国际能源机构（IEA）年7月工作汇报，经过改进电动机效率结合变频调速能够节约大约7电能，其中大致有1/41/3是靠提升电动机效率来取得，其余部分则来自系统改进。当前，美、欧、日、澳大利亚、巴西等国都纷纷制订电动机效率限值，并强制执行。,为协调各国能效分级标准，年IEC制订一项新能效标准IEC60034-30。该标准将普通用途电动机效率水平分为IE1、IE2、IE3和IE4,四级,。,第74页,IE1为标准效率，,相当于我国当前生产普通系列感应电动机效率水平,；,IE2为高效率，,比普通电机效率平均提升2.75个百分点，损耗平均下降20左右,；,IE3为超高效率，,即效率再提升1.52个百分点，损耗平均再降低15左右,；,IE4为超超高效率，,损耗预计再下降20左右，需要进行全新电机设计，建立新体系结构（新电机极数、速度范围），采取更高性能材料,。,第75页,总结我国研发生产高效永磁电动机经验能够得出：,永磁电动机轻易做到高效率，即到达IE2级效率值。,深入优化设计，采取高性能硅钢片和先进工艺，在降低一个机座号或者缩短铁心情况下，能够到达超高效，即IE3级效率值。,在不降低机座号或适当增加铁心情况下，部分规格可能到达超超高效，即IE4级效率值。,第76页,需要说明是，这些产品是在IEC60034-30颁布之前研发生产，与IE3和IE4效率值稍有出入，只要调整设计和优化，就能够到达所要求标准。,第77页,4.1 三维场路耦合分析起动过程,异步起动永磁同时电动机在起动方面较感应电机和电励磁同时电机异步起动过程更为复杂。采取有限元分析软件进行场路耦合仿真。,第78页,起动过程转速曲线,起动过程中T-n曲线,4.1 三维场路耦合分析起动过程,第79页,4.2,化纤纺织用超超高效高牵入转矩永磁同时电动机,在相同负载情况下，化纤纺织用电机尺寸普通比普通电机大12个功率等级，使得电机在运行时存在“大马拉小车”现象，电能浪费严重。,国内经过多年研究，所开发7.5kW 4极、15kW 4极电机在体积不增大情况下能够到达超高效甚至超超高效性能指标。,第80页,15kW高效高牵入转矩永磁同时电动机在现场运行,与普通感应电动机比综合节电率23左右，节电效果非常显著。,4.2,化纤纺织用超超高效高牵入转矩永磁同时电动机,第81页,超超高效高牵入同时永磁同时电动机与IE4标准对比,电机规格,电机类型,效率（）,机座号/铁心长,15kW4极,超超高效永磁电动机,94.48,160/180mm,感应电动机,88.5,160/195mm,IE4,94.1,7.5kW4极,超超高效永磁电动机,93.5,132/180mm,感应电动机,87.0,132/160mm,IE4,93.0,4.2,化纤纺织用超超高效高牵入转矩永磁同时电动机,第82页,4.3 超超高效高过载能力永磁同时电动机,高效高过载能力永磁同时电动机主要是应用于风机、泵类负载。国内开发11kW2极电机和18.5kW4极电机都到达了IE4标准要求效率值。,11kW 2极超超高效永磁同时电动机,第83页,超超高效高过载能力永磁同时电动机与IE4指标对比,4.3 超超高效高过载能力永磁同时电动机,电机规格,电机类型,效率（）,机座号/铁心长,18.5kW4极,超超高效永磁电动机,94.7,160/165mm,感应电动机,91.0,180/190mm,IE4,94.4,11kW2极,超超高效永磁电动机,94.2,132/145mm,感应电动机,87.2,160/125mm,IE4,93.8,当前我国高效异步起动永磁电机最大做到1150kW，效率到达96.9%。,第84页,5,结 论,第85页,稀土永磁电机以其突出优点正向大功率化、高功效化和微型化方向发展，促使电机性能到达一个新高度，应用场所越来越广泛。,第86页,当代永磁电机设计是一个经典多场耦合问题，需要利用电磁、机械、热、声等多学科耦合场进行理论系统分析，所以探讨多物理场集成技术含有主要工程意义，从多场耦合角度进行产品准确设计、提升电机性能，对于提升电机产品设计质量也含有非常主要意义。,第87页,谢 谢!,第88页,
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