高速永磁电机转子空气摩擦损耗分析、计算、测量及总损占比

高速永磁电机有体积小、效率高和功率密度高等优点，高速电机的钻研今朝已成为国际电工领域的钻研热点。因为高速电机的扭转速率高达每分钟数万转以致十几万转，其转子外面的空气摩擦摩耗要比通俗电机大年夜得多，在电机总损耗中占领较大年夜比重，且与电机运行速率和散热前提亲昵相关，难以准确谋略。同时，因为高速永磁电机转子体积小，散热艰苦，轻易过热而导致永磁体孕育发生弗成逆退磁，是以有效的散热和冷却要领是高速电机设计中的一个紧张问题。

1. 高速电机转子空气摩擦损耗阐发

1.1转子空气摩擦损耗的解析法谋略跟着转子速率升高，转子与周围空气的相对速率增大年夜，互相摩擦孕育发生的损耗越来越大年夜。本文钻研的高速永磁电机转子布局如图1所示，空气摩擦损耗类型主要分为圆柱形的转子外面空气摩擦损耗和轴向磁力轴承推力盘两侧外面的空气摩擦损耗。圆柱形转子的外面空气摩擦损耗可以谋略如下：

式中： k 为转子外面的粗拙度系数(对付滑腻转子外面， k=1)； ρ 为空气密度； ω、 r、 l 分手为转子的角速率、转子半径及轴向长度； Cf 为空气摩擦系数，它的值与转子外面的剪切应力有关。

轴向磁力轴承推力盘两侧外面的空气摩擦损耗可以谋略如下：

式中 r1、 r2 分手为推力盘内半径和外半径

准确谋略转子外面的剪切应力，必要知道转子周围流体的速率散播和涡流扩散系数，然而对付处于紊流状态的流体而言，尚短缺准确的谋略措施，是以空气摩擦损耗系数难以准确谋略。

1.2 转子空气摩擦损耗的 3D 流体场阐发

1.2.1 基础方程及求解模型

根据粘性流体力学理论，采纳空气作为冷却介质的高速电机流体流动方程，可以根据如下的时均继续方程、瞬时 N-S 方程和雷诺方程从 3D 角度进行描述：

式中：ūi为时均流速；ui为脉动流速；Fi 为质量力；p为时均压力；i=x,y,z，j=x,y,z，且i≠j；μ为流体粘性系数；ρ为流体密度。

高速电机稳定运行时，因为转子高速扭转的影响，转子外面的流体既有轴向流动又有随转子扭转的切向流动。当不斟酌重力场对空气影响时，对瞬时的N-S方程用重整化群的措施可推导出来流体求解模型：

1.2.2界限前提及空气摩擦损耗谋略

本文以一台2极3相额定功率75 kW、额定转速 60000 r/min的高速永磁同步电机为例，对其转子外面的空气摩擦损耗进行流体场阐发。该电机具有24槽的定子环形绕组，其布局如图2所示。根据电机的对称布局，可取其1/24建立流体场模型，如图3所示。

在进行流体场阐发之前，做以下假设：

1）流体与透风道进口面垂直进入透风道；

2）电机损耗孕育发生的热量经透风道出口由流体带走。

图 3 所示的 3D 流体场模型的界限前提如下：

1）流体进口指定为速率进口，出口指定为压力出口，流体出口压力设为大年夜气压；

2）永磁体、护套、气隙、定子和外风道两侧指定为周期界限前提；3）护套和善隙交界面为运动界限，在交界面上指定转子扭转速率和粗拙度等；

4）固体和流体交代面设为耦合界限；

5）其他界限觉得是绝热界限。根据以上设定，高速电机转子空气摩擦损耗可以经由过程谋略电机总的能量变更获得，总的能量变更的谋略措施如下：

2 . 基于流体场阐发的空气摩擦损耗谋略

2.1 不合部位的转子空气摩擦损耗谋略

图 1 所示的转子空气摩擦损耗可以表示为

因为永磁转子、径向磁力轴承和轴向推力轴承气隙布局各不相同，分手建立径向磁力轴承和轴向推力轴承流体场 3D 模型，如图 4—5 所示。

采纳上文建立的流体场模型，谋略不合转速下的空气摩擦损耗，谋略结果如表 1 所示。

经由过程对表 1 进行阐发可知，转子空气摩擦损耗与电机转速的关系可表示为

式中： n 为转子转速； k 和α 为 2 个待定系数，经由过程对表 1 中的数据进行非线性拟合，可求得幂指α=1.927，拟合曲线如图 6 所示。

2.2 影响转子空气摩擦损耗的身分转子的空气摩擦损耗除了与电机转速有关之外，还与定转子外面的布局和善隙轴向流速等身分有关。根据流体场阐发，可以得出轴向空气流速和转子外面粗拙度对转子外面的空气摩擦损耗的影响，分手如图 7—8 所示。

由图 7—8 可以看出，增添轴向气流速率虽然有利于透风散热，但同时又增添了空气摩擦损耗。为了低落高速电机转子空气摩擦损耗，应拔取适当的冷却风速和采纳滑腻的转子外面。

3. 不合转速下高速电机总损耗的丈量

本文所述的谋略措施必要进行实验验证，然而高速电机转子的空气摩擦损耗难以直接丈量，一样平常只能经由过程损耗分离的措施，将空气摩擦损耗从电机总损耗平分离出来。对付采纳封闭式逼迫风冷的电机，当电机温度达到稳准时，基于能量守恒道理，可以经由过程丈量电极的总散热量，从而确定电机的总损耗。当电机稳态运行温度达到稳准时，其总损耗可表示为

式中： c 为空气比热； m 为单位光阴内流出电机的空气质量； ∆T 为进风口和出风口处风温的变更量。m 可由下式谋略：

式中 s、 v、 ρair分手为出风口的面积、出风口的风速和空气密度。气压和温度对空气密度的影响，可按下式进行修正：

式中： p 为大年夜气压(mmHg)； T 为透风道出口处风温。为了钻研高速电机转子空气摩擦损耗与转速之间关系，高速电机实验平台如图 9 所示。

图 10—11 分手给出了 24 槽高速永磁电机稳定运行在24 000，30 000，40 000，50 000，60 000 r/min时外风道和内风道温度变更曲线。由图10—11 可知，高速永磁电机在颠末75 min 的运行后，内风道和外风道出风口处空气的温度基础稳定，此时电机内部的温度达到恒定，可觉得电机损耗孕育发生的热量和冷却空气带走的热量达到平衡。使用式谋略得出不合转速下电机的总损耗，如表 2 所示

4. 基于总损耗的空气摩擦损耗

分离电机空载运行时电流较小，定子绕组铜耗和转子护套中的涡流损耗较小，此时定子绕组铁耗和转子外面空气摩擦损耗在总损耗中占领比例较大年夜，电机总损耗可近似为

式中：Pfe为定子铁耗；Pair 为转子外面的空气摩擦损耗； Pad 为另外损耗(包括定子绕组铜耗、转子护套涡流损耗等)。基于高速永磁电机有限元阐发和试验钻研，定子铁耗与频率 f的关系可表示为

根据式(13)所示空气摩擦损耗与电机转速之间的关系，高速电机转子空气摩擦损耗与频率的关系可表示为

将式(18)、 (19)代入式(17)后，电机总损耗可表示为

附加损耗在空载环境下受电机转速影响较小，在近似谋略时可觉得其不受转速的影响。根据式(20)和表2，采纳解析法多线性拟合可分手将定子铁耗、空气摩擦损耗和附加损耗从总损耗平分离出来，结果如表3所示，获得kfe和kair分手为0.0523和0.0018。

对不合转速下高速永磁电机空气摩擦损耗谋略值与采纳损耗分离法的丈量结果进行对照，如图12 所示。

从图 12 可以看出，采纳三维流体场模型谋略获得的空气摩擦损耗略大年夜于试验结果，但总体上谋略值与试验值相吻合。

5. 总结

对高速永磁电机转子空气摩擦损耗进行了理论阐发与实验钻研，可以得出如下结论：

1）高速电机的转子空气摩擦损耗，可以经由过程流体场阐发进行谋略，样机试验结果证清楚明了基于流体场阐发的空气摩擦损耗谋略措施的有效性；

2）转子外面的空气摩擦损耗与转速、轴向空气流速和转子外面粗拙度等多种身分有关，此中电机转速影响最为显明，本文所钻研的高速电机，其空气摩擦损耗与电机转速的1.927次幂成正比；

3）空气摩擦损耗难以直接丈量，可以经由过程丈量不合转速下电机的总损耗，依据种种损耗与转速的不合关系，将空气摩擦损耗从总损耗平分离出来。损耗分离的精度，取决于电机总损耗的丈量精度以及种种损耗与电机转速表达式模型的准确程度。