1、稀土永磁电机的研究与多物理场分析唐唐 任任 远远 国家稀土永磁电机工程技术研究中心 靠电流靠电流产生产生稀土永磁稀土永磁产生产生稀 土 永 磁 电 机 与电力电子技术、现代控制技术等先进技术相结合 可以部分替代传统的电励磁电机 可以实现电励磁电机所难以达到的高性能 稀土永磁电机的发展方向大功率化 高功能化 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 应用场合应用场合遍及计算机、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。电机结构电机
2、结构也不再局限于传统的径向磁通结构，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。中国的稀土资源丰富 我国钕铁硼永磁产量占绝对优势我国钕铁硼永磁产量占绝对优势中国稀土矿的储量居世界首位，烧结钕铁硼永磁的产量约占世界总产量的四分之三左右。这一得天独厚的丰富资源为中国稀土永磁电机的发展和应用提供了极为有利的条件。稀土永磁电机追求达到高功率密度、高效率、高动态响应和低速平稳性、低振动噪声 电机的电磁负荷高，结构新颖而又多样，增加了设计分析、仿真计算和研究开发的复杂性。电机内存在着多种不同类型的多场耦合系统 涉及到电磁、机械、电子、流体、热学等多个学科 相互影响 运用和发展多场耦合
3、系统，弄清各种场的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。分分 类类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1新型结构永磁电机新型结构永磁电机 随着电动车、磁悬浮列车和舰船电力推进等大功率电气传动技术的发展,人们对低速、高转矩密度、直接驱动电机的要求日益迫切,以减小电机的体积、重量和原材料的消耗,提高电机的功率（转矩）密度。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好地适应这些特殊行业的需要，在传统径向磁通永磁电机的基础上出现了:1.1 盘式永磁电机盘式永磁电机 盘式永磁电机的气隙是平面型的，气隙磁场是轴向的，可以使
4、电机制成扁平型，可获得很高的转矩密度。如制成多气隙组合式结构，可以进一步提高转矩，特别适合于大转矩直接驱动装置。1.1 盘式永磁电机盘式永磁电机 盘式永磁电机结构a)单边b)外转子c)内转子d)多盘1.1 盘式永磁电机盘式永磁电机 盘式永磁电机的优点是转矩密度高，由此带来的关键技术之一是冷却系统的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。1.1 盘式永磁电机盘式永磁电机 电机的温度场分布取决于冷却介质和损耗的分布，为了能够获得电机温度的准确分布，需要建立永磁电机磁场电路流场温度场的耦合计算模型，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。磁场分布 磁场电路耦
5、合计算磁场电路耦合计算 电流波形 1.1 盘式永磁电机盘式永磁电机 磁场电路耦合计算 焦耳热流场温度场耦合计算的热源 1.1 盘式永磁电机盘式永磁电机 1.1 盘式永磁电机盘式永磁电机 流速分布转子的温度场分布电机整机的温度场分布180kW盘式永磁电机 其转矩密度达8.5kN/m2，为传统电机的2倍左右。1.1 盘式永磁电机盘式永磁电机 1.2 横向磁通永磁电机横向磁通永磁电机 传统电机的齿和槽在同一平面内，齿宽和槽宽互相制约。改成横向磁通电机后可以使转矩密度相当于传统结构电机的25倍，特别适用于车、船等直接驱动场合。传统径向磁通电机的磁路1.2 横向磁通永磁电机横向磁通永磁电机 横向磁通永磁
6、电机结构复杂,内部磁场呈复杂的三维分布,在转子和定子铁心的齿部,磁通沿径向流通,而定子铁心轭部的磁通沿轴向流通,流通方向相互垂直。横向磁通电机的磁路需要用三维电磁场分析计算来弄清其电磁场分布规律和优化设计规律，进而提高其性能。横向磁通电机的一种典型结构图 1.2 横向磁通永磁电机横向磁通永磁电机 定定 子子 结结 构构 1.2 横向磁通永磁电机横向磁通永磁电机 转转 子子 结结 构构1.2 横向磁通永磁电机横向磁通永磁电机 1.2 横向磁通永磁电机横向磁通永磁电机 电机磁密分布 端部漏磁很大。定子齿外端的磁密较低，越往里齿磁密越高，在轭部与齿部的交接面最高。1.2 横向磁通永磁电机横向磁通永磁
7、电机 气隙磁密分布图 每一个气隙带的磁密分布相间，呈半正弦波形的磁密分布，即一段磁密达到正的最大幅值，而相连的下一段则出现零磁密。1.2 横向磁通永磁电机横向磁通永磁电机 气隙磁密分布图 对于内外气隙磁密带，分布正好相对，即外气隙带出现磁密正的最大幅值时，内气隙带则出现零磁密，反之亦然。1.2 横向磁通永磁电机横向磁通永磁电机 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的2.5倍左右。横向磁通永磁电机实验中 1.2 横向磁通永磁电机横向磁通永磁电机 传统电机的磁场是由电流产生的，为了减少磁路的磁阻，都选用高磁导率的硅钢片叠压制成定、转子铁心，导致体积大、重量大(铁心重占
8、总重的60%左右)、损耗大(铁心损耗占总损耗的20%30%)、振动噪声大(铁心有齿有槽是产生电磁噪声的根源)，难以满足高性能调速系统的要求。1.3 无铁心永磁电机无铁心永磁电机 利用钕铁硼永磁高矫顽力（约900kA/m）的优异特性而不用或少用硅钢片，制成无铁心永磁电机，则电机的重量可以大幅度下降、效率提高、振动噪声显著降低，同时具有更低的转动惯量、更快的响应速度、更宽的调速范围、更长的使用寿命。1.3 无铁心永磁电机无铁心永磁电机 无铁心电机的三维磁场是开域的，分析计算的关键技术之一是如何确定三维开域场的边界条件和对计算结果的有效处理。无铁心永磁电机气隙表面磁密的矢量分布 无铁心电机磁密矢量分
9、布图 从图中可以看出,沿圆周方向,磁场呈周期性分布,在电机的端部有一个很大的轴向分量磁密。1.3 无铁心永磁电机无铁心永磁电机 已制成的2.2kW 8极无铁心永磁电机的实物照片，其效率90，功率密度比传统电机提高1倍以上，噪声57dB。电机定子、转子实物照片 1.3 无铁心永磁电机无铁心永磁电机 无铁心电机与同规格无铁心电机与同规格Y2系列感应电动机的对比分析系列感应电动机的对比分析 电机型号Y2-132S-8 TYB2200-750 比较结果中心高132112额定功率/W22002200效 率/78.089.8提高11.8功率因数0.710.95提高0.24功率密度/Wkg133.8568.
10、75提高103噪声/dB(A)7157降低14dB（A）1.3 无铁心永磁电机无铁心永磁电机 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的控制场合具有广阔的应用前景。2 永永 磁磁 发发 电电 机机 永 磁 发 电 机 直驱低速永磁风力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半直驱式永磁风力发电机 混合励磁发电机混合励磁发电机 2.1 直驱低速永磁风力发电机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的应用越来越广泛，它省去了增速齿轮箱省去了增速齿轮箱，大大大大提高了可靠性和效率提高了可靠性和效率，提高了单位提高了单位
11、kW的的发电量发电量。国内已成功开发出13MW的直驱永磁风力发电机，每分钟只有十几转。单支撑结构的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直驱低速永磁风力发电机 2.1 直驱低速永磁风力发电机直驱低速永磁风力发电机 由于电机结构及受力情况比较复杂，采用传统的计算已经不能满足要求，故需采用有限元软件对电机进行强度和刚度分析计算。计算时对模型接触进行一定简化，对模型施加相应载荷及约束进行强度分析，可得到不同构件的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
12、云图2.2 半直驱式永磁风力发电机半直驱式永磁风力发电机 由于在同样功率时，电机的重量与其转速成反比，MW级的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。发电机的吊装图每台电机用钕铁硼永磁1吨多。因此又出现了经一级齿轮增速的半直驱式永磁风力发电机，150200rpm，重量可以成倍减小。半直驱永磁风力发电机半直驱永磁风力发电机 2.2 半直驱式永磁风力发电机半直驱式永磁风力发电机 2.3 混合励磁发电机混合励磁发电机在发电机运行中为了保持电压不变，需要进行磁场调节。对于永磁发电机来说，转速的变化或负载电流的变化会造成输出电压的变动，但由于永磁电机的气隙磁场是由永磁体和磁路磁导
13、决定的，调节气隙磁场困难而导致电压调节困难。综合电励磁及永磁体励磁两种电机优点 混合励磁同步发电机 可以根据电压的变化通过改变电励磁电流的大小和方向来调节磁场，进而调节电压 实现了无刷化，免维护辅助电励磁部分的损耗小，保留了永磁发电机的高效率特点 2.3 混合励磁发电机混合励磁发电机混合励磁发电机的一种典型结构混合励磁发电机的一种典型结构 2.3 混合励磁发电机混合励磁发电机以一台功率为7.5kW、4极混合励磁发电机为例 样机的定子和转子2.3 混合励磁发电机混合励磁发电机该电机具有以下特点：（1）不加电励磁时，发电机的固有电压调整率为10.72%；加电励磁时，发电机的电压调整率仅在1%的范围
14、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)调节特性基本呈直线分布，调节特性好 2.3 混合励磁发电机混合励磁发电机3交流永磁伺服电动机交流永磁伺服电动机 高性能永磁交流伺服电动机的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、家用电器等场合。3.1 转矩脉动仿真及抑制转矩脉动仿真及抑制 近年来永磁交流伺服电机采用槽数与极数接近的分数槽绕组越来越多，通过三维电磁场分析可得，由于采用槽数与极数相近的分数槽绕组，在电机的漏磁通中存在着齿顶漏磁通。齿顶漏磁示意图 永磁体产生的磁通通过气隙进入定
15、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的比例很大，有的高达50.4%，需要进行详细分析计算。3.1 转矩脉动仿真及抑制转矩脉动仿真及抑制 不同极槽配合的分数槽绕组产生的谐波次数及大小都是不同的，由此产生脉动转矩的大小不尽相同，采用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 不同极槽配合下的转矩波动 极槽数8-98-368-48转矩波动9.4%13.2%17.6%3.1 转矩脉动仿真及抑制转矩脉动仿真及抑制 对齿槽转矩需采取多种措施加以抑制，如：3.1 转矩脉动仿真及抑制转矩脉动仿真及抑制 这些使三维
16、磁场的计算更为复杂。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措施之一是斜极 在径向磁通电机中斜极的永磁体机构 在轴向磁通电机中的斜极结构 3.1 转矩脉动仿真及抑制转矩脉动仿真及抑制 3.2三维瞬态磁场声场耦合分析电机三维瞬态磁场声场耦合分析电机的振动噪声的振动噪声 高性能伺服系统要求电机的振动噪声很低，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。声场分析是流体结构相互作用的耦合场计算，是瞬态的声学分析。流体和结构在网格界面处的相互作用引起声压施加给结构一个强迫力，并且结构运动产生一个有效的“流体载荷”。流固耦合边界标志 3.2三维瞬态磁场声场耦合
17、分析电机三维瞬态磁场声场耦合分析电机的振动噪声的振动噪声 a）定子四阶模态 b）整机七阶模态 模 态 样机计算值/dB(A)实验值/dB(A)误差(%)162.860.763.4276.272.515.1382.982.01.1有限元计算噪声与实验结果对比 3.2三维瞬态磁场声场耦合分析电机三维瞬态磁场声场耦合分析电机的振动噪声的振动噪声 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三维瞬态磁场声场耦合分析电机的振动噪声的振动噪声 有限元计算振动速度与实验结果对比样机计算值/mms-1实验值/mms-1误差(%)11.511.531.320.9921.022.7针对8极9槽、8
18、极36槽和8极48槽三台径向结构永磁同步电动机对它们的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步电动机对它们的噪声大小进行分析计算。不同极槽配合电磁噪声的计算 极槽配合计算值dB（A）实测值dB（A）误差(%)8极9槽71.44702.068极36槽55.7659.66.448极48槽54.1450.76.793.2三维瞬态磁场声场耦合分析电机三维瞬态磁场声场耦合分析电机的振动噪声的振动噪声 在由脉宽调制（PWM）控制的永磁交流电动机组成的系统中，电流开关频率和时间谐波的影响更为显著。电动机的噪声与振动主要取决于以下几个因素：（1）极数和槽数的配合；（2）
19、工作频率；（3）逆变器的开关（载波）频率；（4）机械固有频率和系统的模态。3.2三维瞬态磁场声场耦合分析电机三维瞬态磁场声场耦合分析电机的振动噪声的振动噪声 空载声压级随开关频率和基波频率变化 从开关频率的变化规律可见，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三维瞬态磁场声场耦合分析电机的振动噪声的振动噪声 3.3 高精度高速交流永磁伺服电动机高精度高速交流永磁伺服电动机 右图显示开发的机床用交流伺服电动机 机床用交流伺服电动机 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高精度高速交流永磁伺服电动机 机床用交流伺服电机主要性能指标 性能指标堵转转矩 6Nm12Nm
20、22Nm效率/%84.590.989.1功率因数0.940.970.98转动惯量/(kgm)0.00250.00840.0125振动/(mms-1)1.21.82.5噪声/dB（A）64.259.974.03.3 高精度高速交流永磁伺服电动机高精度高速交流永磁伺服电动机 3.4 直驱低速交流永磁伺服电动机直驱低速交流永磁伺服电动机 开发的无齿轮曳引电梯用永磁同步电机具有以下几个优点：1、结构简单，不需要减速箱，工艺更加简单，同时减小体积和重量，提高有效空间的利用率。2、振动小噪声低，特别是在低速运行区域，优势更加明显，运行稳定，调速精度高。传统的有齿轮曳引电梯的噪声大部分来自于齿轮箱产生的机械
21、振动和高速旋转的电动机本身的振动和噪声。3、由于实现了无齿轮调速，省去了齿轮上的损耗，提高了效率。同时采用永磁体励磁后，不需要励磁电流，没有励磁损耗，也可使效率提高。4、可布置出各种曳引方式的无机房电梯，即使在有机房和小机房布置时也显示出较高的自由度和灵活度。5、安全、可靠、舒适度好。原有齿轮传动的曳引机，虽然电机的效率高达94%，但因齿轮箱的存在，综合效率仅为65左右，且振动噪声很大，维护也较困难。现采用无齿轮曳引后，效率可提高近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直驱低速交流永磁伺服电动机 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
22、永磁伺服电动机直驱低速交流永磁伺服电动机 电机磁密分布图 3.4 直驱低速交流永磁伺服电动机直驱低速交流永磁伺服电动机 电机的磁力线分布图 3.4 直驱低速交流永磁伺服电动机直驱低速交流永磁伺服电动机 4 超超高效异步起动超超高效异步起动永磁电动机永磁电动机 据国际能源机构（IEA）2019年7月的工作报告，通过改善电动机效率结合变频调速可以节约大约7的电能，其中大致有1/41/3是靠提高电动机效率来获得的，其余部分则来自系统的改进。目前，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，2019年IEC制定一项新的能效标准IEC60034-30。该标
23、准将一般用途电动机效率水平分为IE1、IE2、IE3和IE4四级。nIE1为标准效率，相当于我国目前生产的普通系列感应电动机的效率水平；nIE2为高效率，比普通电机的效率平均提高2.75个百分点，损耗平均下降20左右；nIE3为超高效率，即效率再提高1.52个百分点，损耗平均再降低15左右；nIE4为超超高效率，损耗预计再下降20左右，需要进行全新的电机设计，建立新的体系结构（新的电机极数、速度范围），采用更高性能的材料。总结我国研发生产高效永磁电动机的经验可以得出：永磁电动机容易做到高效率，即达到IE2级的效率值。进一步优化设计，采用高性能硅钢片和先进工艺，进一步优化设计，采用高性能硅钢片和
24、先进工艺，在降低一个机座号或者缩短铁心的情况下，可以在降低一个机座号或者缩短铁心的情况下，可以达到超高效，即达到超高效，即IE3级的效率值。级的效率值。在不降低机座号或适当增加铁心的情况下，部分规格可能达到超超高效，即IE4级的效率值。需要说明的是，这些产品是在IEC60034-30颁布之前研发生产的，与IE3和IE4的效率值稍有出入，只要调整设计和优化，就可以达到所规定的标准。4.1 三维场路耦合分析起动过程三维场路耦合分析起动过程 异步起动永磁同步电动机在起动方面较感应电机和电励磁同步电机的异步起动过程更为复杂。采用有限元分析软件进行场路耦合仿真。起动过程转速曲线 起动过程中T-n曲线 4
25、.1 三维场路耦合分析起动过程三维场路耦合分析起动过程 4.2 化纤纺织用超超高效高牵入转矩永磁同步电动机化纤纺织用超超高效高牵入转矩永磁同步电动机 在相同负载情况下，化纤纺织用电机尺寸一般比普通电机大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，所开发的7.5kW 4极、15kW 4极电机在体积不增大的情况下能够达到超高效甚至超超高效性能指标。15kW高效高牵入转矩永磁同步电动机在现场运行 与普通感应电动机比综合节电率23左右，节电效果非常明显。4.2 化纤纺织用超超高效高牵入转矩永磁同步电动机化纤纺织用超超高效高牵入转矩永磁同步电动机 超超高效高牵
26、入同步永磁同步电动机与IE4标准对比 电机规格电机规格电机类型电机类型效率（）效率（）机座号机座号/铁心长铁心长15kW4极超超高效永磁电动超超高效永磁电动机机94.48160/180mm感应电动机感应电动机88.5160/195mmIE494.17.5kW4极超超高效永磁电动超超高效永磁电动机机93.5132/180mm感应电动机感应电动机87.0132/160mmIE493.04.2 化纤纺织用超超高效高牵入转矩永磁同步电动机化纤纺织用超超高效高牵入转矩永磁同步电动机 4.3 超超高效高过载能力永磁同步电动机超超高效高过载能力永磁同步电动机 高效高过载能力永磁同步电动机主要是应高效高过载能
27、力永磁同步电动机主要是应用于风机、泵类负载。国内开发的用于风机、泵类负载。国内开发的11kW2极电机和极电机和18.5kW4极电机都达到了极电机都达到了IE4标准标准规定的效率值。规定的效率值。11kW 2极超超高效永磁同步电动机超超高效高过载能力永磁同步电动机与IE4指标对比 4.3 超超高效高过载能力永磁同步电动机超超高效高过载能力永磁同步电动机 电机规格电机规格电机类型电机类型效率（）效率（）机座号机座号/铁心长铁心长18.5kW4极超超高效永磁电动超超高效永磁电动机机94.7160/165mm感应电动机感应电动机91.0180/190mmIE494.411kW2极超超高效永磁电动超超高效永磁电动机机94.2132/145mm感应电动机感应电动机87.2160/125mmIE493.8目前我国的高效异步起动永磁电机最大做到1150kW，效率达到96.9%。5 结结 论论 稀土永磁电机以其突出优点正向大功率化、高功能化和微型化方向发展，促使电机的性能达到一个新的高度，应用场合越来越广泛。现代永磁电机设计是一个典型的多场耦合问题，需要运用电磁、机械、热、声等多学科耦合场进行理论系统分析，因此探讨多物理场集成技术具有重要的工程意义，从多场耦合的角度进行产品的精确设计、提高电机性能，对于提高电机产品的设计质量也具有非常重要的意义。谢 谢!
