低转子损耗永磁容错电机电磁、热耦合设计

低转子损耗永磁容错电机电磁热耦合设计2017

Motor-CAD用户大会江苏大学高效能电机系统与智能控制内容提要一、研究背景意义二、低转子损耗设计三、Motor-CAD电磁热耦合设计四、总结与体会一、研究背景意义3/40研究背景国内外由作动器故障的飞行事故频频发生电机是机载系统电作动器的直接执行者，连续运行尤为关键。电机系统的微小故障都可能导致任务失败，乃至机毁人亡。4/40永磁容错电机优点：功率密度高带故障运行能力强可靠性高效率高1、在不牺牲容错电机容错性能和电磁特性情况下，低转子损耗设计对进一步提高电机的可靠性及效率意义重大。2、快速、方便、准确的计算电机电磁性能和电机内温度分布对电机设计起着重要的作用。缺点：转子损耗大磁动势谐波含量高转子散热温度比较集中研究背景二、低转子损耗设计6/40低转子损耗设计低转子损耗永磁电机绕组低谐波转子拓扑结构转子磁障永磁体分块7/402.1

电枢绕组磁动势谐波0.81.0MMF

(pu)Torque

ripple,

losses

and

radial

force0.60.40.20.00

4

8

12

16

20

24

28

32

36Harmonicorder9s8p磁动势谐波分布分数槽集中绕组中含有丰富的磁动势谐波；会引起转矩脉动、损耗和径向力。8/402.1绕组低谐波-绕组连接方式星三角连接I11I(j-1)1Im1

N1

Ij1nj1I121I(j-1)2j-1Ij2jnj2Im2mN2星三角连接1次磁动势谐波消除，其转子涡流损耗降低，但是双层绕组并不适合容错电机。星三角连接示意图12s10p星三角绕组连接9/402.1绕组低谐波-绕组连接方式星三角连接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星三角连接永磁电机传统电机星三角连接电机转子损耗(W)124.686.9效率(%)92.493.2星三角连接有效减小转子损耗，提高电机的效率2.1绕组低谐波-绕组连接方式11/40多相绕组绕组相数增加，改变了绕组的分布因数，减小了绕组磁动势谐波。3相12相2.1绕组低谐波-多相技术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多相绕组100806040200337212-phase6-phaseEddy

current

loss

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

orderMMF

(%)快速准确便捷2.1绕组低谐波-多相技术13/402.2转子拓扑结构IPM与SPM电机SPM永磁电机Spoke型IPM电机V-型IPM电机14/402.2转子拓扑结构SPM永磁电机Spoke型IPM电机V-型IPM电机电枢绕组磁动势谐波对不同转子拓扑结构产生的涡流损耗差异较大，SPM结构最大。Spoke型V-型SPM涡流损耗（W）106.656.4178.615/402.3永磁体分段块分段大大限制了涡流路径，有效抑制永磁体涡流损耗不分段径向分3段2sνJ

(dVPM,

t)Weddy

=16/40轴向分块SPM永磁体轴向分两段Spoke形永磁体轴向分两段2.3永磁体分段17/40块永磁体分段（分段后尺寸小于其透入深度），可极大降低永磁体上涡流损耗。永磁体不分段永磁体径向分3段2.3永磁体分段18/40π/v2π/v(θ,t)RStator

yoke

μRπ/v2π/v(θ,t)Stator

yoke

μp/vp/vPP1PP1P2π/v2π/v(θ,t)无磁障有磁障等效磁导分析模型2.4转子磁障19/402.4转子磁障0510152025Rotor

losses

(W)Rotoriron

lossesPM

EC

lossesOriginal

Newly

designed转子损耗对比0525300.000.040.080.120.160.20OriginalNewly

designed10

15

20Harmonic

orderFlux

density

(T)无磁障有磁障电枢反应磁密三、Motor-CAD电磁热耦合设计21/40关于Motor-CADMotor-CAD是一款专门进行电机电磁热设计与分析的

。电磁场部分能够智能的与温度场相耦合，使电磁计算更贴近实际。电磁场温度场温度影响永磁体磁性能高温可使永磁体退磁高温破坏绝缘层增加运行故障风险电磁损耗绕组铜耗风摩损耗机械损耗Motor-CAD可实现相互之间的耦合22/40设计方案低转子损耗容错永磁电机设计案例建模电磁性能电磁设计界面2-D模型对比转子拓扑结构永磁体分块后处理智能，快速，准确电磁性能对比空载反电势转矩及转矩脉动电磁性能优化多参数多目标优化高效，快速，精确热分析

自动计算一些热流参数，快捷方便电磁场和温度场相互耦合，使计算更加准确23/403.1建模-定子设计界面快速参数化建模（提供多种电机模型，通过输入电机绕组、几何结构参数即可建立电机模型，使用方便快捷。24/403.1建模-2-D模型利用槽电势星形图进行绕组分相多个永磁需要逐个充磁自动充磁自动分相Maxwell模型Motor-CAD模型25/403.1建模-转子拓扑结构表贴式Spoke结构内置式多层磁障Maxwell库Motor-CAD库26/403.1建模-与Maxwell对比MaxwellMotor-CAD永磁体充磁逐个充磁自动绕组分相用户自动绕组参数计算无法体现自动相应3D模型另外建模自动是否考虑绕组端部无有永磁体分块另外建模只需设置分块数定转子拓扑结构内置、自定义内置Motor-CAD已成主流的电机高效设计

，强大的电磁分析和热分析功能，为设计者提供便捷快速准确设计服务！一点建议：如果能支持外部用户自定义模型就更完美了27/403.1建模-永磁体分段永磁体分块Maxwell-3D

解析磁体

段情况太复杂Maxwell

需要对50多个面逐一进行边界条件的设置，如果是整个电机，需要进行1100次这样的操作永磁体分块能有有效的限制永磁体涡流损耗，且其不影响其他电磁性能及容错性能28/403.1建模-永磁体分段总结：在利用Maxwell进行分块计算时，

建模繁琐、工作量大

不利于优化设计

需建3D模型，过程复杂

每个分割面需要设置绝缘边界

计算时间长No

Problem！29/403.1建模——永磁体分段用Motor-CAD计算永磁体分块情况，非常方便、快捷。只需在人机界面输入相应的分块数即可，无需额外建模，电机设计效率大大提高。轴向分段以前4-5天现在1-2小时段30/403.2电磁计算——与Maxwell比较MaxwellMotor-CAD反电势（V）223.1220.6转矩（Nm）10.810.8永磁体涡流损耗（W）不分块118.3112.5径向分3块36.936.510块22.822.3径向3周向10块10.510.3计算时间5h2min两中

的计算结果非常吻合、但是计算效率Motor-CAD要远远高于

Maxwell31/403.2电磁计算电磁计算结果斜槽前后反电势波形对比磁密云图谐波分布32/403.2电磁计算——反电势反电势波形Motor-CAD计算实测波形Maxwell计算反电势幅值波形非常吻合33/403.2电磁计算——转矩转矩波形Motor-CAD计算实测波形Maxwell计算实验与仿真吻合34/403.3优化设计459101.021.051.081.111.14气隙磁密(T)6

7

8永磁体厚度(mm)45910138135132129126123转矩(Nm)6

7

8永磁体厚度(mm)提供了友好的人机优化界面，可进行多参数多目标优化35/403.4电磁热耦合分析热模型不可避免的跟流体动力学等有关，而Motor-CAD可以自动计算这些相关的热对流参数，非常nice！热损耗分布36/403.5实验比较实验样机Motor-CAD热分布热成像仪温度分布37/40总结通过输入电机绕组、几何结构参数即可建立电机模型，使用方便快捷。多参数多目标同步优化，便捷的永磁体分段、斜齿、斜槽计算，极大的缩短了设计时间。自动计算热流参数，精确的电磁场和温度场计算结果。四、总结与体会39/40温度场的精确建模与计算，将有利于电机系统拓展应用领域，进一步提升功率密度。电磁-温度的