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1、2010,37(1)研究与设计EMCA高速永磁无刷直流电机设计和试验11122周凤争,刘宝成,唐庆华,王凯,沈建新(1.天津市电力公司技术中心,天津300384;2.浙江大学电气工程学院,浙江杭州310027)摘要:高速永磁无刷直流电机具有功率密度高、体积小、效率高等优点,在很多领域有着广泛应用。介绍了高速永磁无刷直流电机设计的关键问题,研制了2.3kW,15万r/min的高速永磁无刷直流电机样机和控制系统,并结合空载试验计算了电机的定子铁耗和轴承损耗。关键词:高速电机;永磁无刷直流电机;定子铁耗;轴承损耗中图分类号:TM302TM351文献标识码:A文章编号
2、:16736540(2010)01001303DesignandTestofHighSpeedPermanentMagnetBrushlessDCMotor11122ZHOUFengzheng,LIUBaocheng,TANGQinghua,WANGKai,SHENJianxin(1.TechnicalCenterofTianjinElectricPowerCorporation,Tianjin300384,China;2.CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)
3、Abstract:HighspeedPMBLDCmotorshavebeenextensivelydevelopedandemployedinindustryapplications,duetohighefficiencyandhighpowerdensity.ThedesignconsiderationsofhighspeedPMBLDCmotorsweredescribed.Aratingof2.3kW,150krpmhighspeedmotorandthecontrolsystembasedonMC33035weredesigned.Meanwhile,Noloadi
4、ronlossandbearinglosswerecomputed.Keywords:highspeedmotor;permanentmagnetbrushlessDCmotor;ironloss;bearingloss进行了计算。0引言1高速永磁无刷直流电机设计的关近年来,永磁材料、电机设计理论、电力电子键问题技术、机械加工工艺和控制理论的发展,促进了高速永磁无刷直流电机理论的完善。目前该领域是1.1定子材料的选择和定子结构的设计[2]国际研究的热点,由于高速永磁无刷直流电机具根据电机设计理论,定子铁耗表达式为:有功率密度高、体积小、效率高等优点,在很多领21.5BfPF
5、e=CFeK0GFe(1)域有着广泛的应用。例如,核材料的离心分离装B0f0置、高速陀螺仪、旋转储能装置、高速电动工具等。np高速电机!的定义本身并不是非常明确,对于大f=(2)60功率(数百千瓦或兆瓦级)电机而言,每分钟上万转已是超高速!了,但对于小功率(千瓦级)电机式中:CFe∀∀∀修正系数;而言,高速!或超高速!往往是指每分钟10万K0∀∀∀在磁通密度为B0、磁场频率为f0的[1]转以上。在高速和超高速运行情况下,电机的条件下测得的定子铁耗,W/Kg;运行特性和常规电机有很大不同,对电机的设计GFe∀∀∀定子铁心的质量;和控制技术提出了一系列新的研究课题。本文介n∀∀∀电机的转速;
6、绍了高速电机设计的关键问题,研制了2.3kW,p∀∀∀电机的极对数。15万r/min的高速永磁无刷直流电机样机和控为了降低磁场的频率,减小定子铁耗,一般转制系统,并结合空载试验对定子铁耗和轴承损耗子极对数设计为1。参照式(1),可以通过降低∀13∀研究与设计EMCA2010,37(1)[1]K0来进一步减小定子铁耗,K0是由定子材料决定体积很大,耗能较多。本文采用精密的滚珠轴的。定子叠片最常用的是0.5mm和0.35mm的承,转子结构如图2所示,其中图2(a)的轴承集硅钢片。硅钢片越薄,K0越低,定子铁耗越小。中在转轴一端,以便轴承润滑系统的设计,这种结本文介绍的样机采用价格较高的0.
7、2mm硅钢片构称为单端式轴承支撑结构;图2(b)的轴承分别加工定子铁心,更薄的硅钢片比较少见,价格更放置在转轴两端,这种结构称为两端式轴承支撑高,且加工也不是很方便。结构。采用有限元软件对两种转子结构进行了转由于高速电机的电磁频率很高,选择导线时子动力学分析,分析结果如图3和表1所示。要考虑集肤效应的影响,采用相互绝缘的多股细导线并联而成,每根细导线的半径由式(3)确[3]定:-1/2r#()(3)其中:r∀∀∀导线的半径;=
