分析 | 磁钢的涡流损耗对永磁电机的转子温升影响

引言

稀土永磁同步电动机(REPMSM)具有体积小、重量轻、效率高等特点，理论上转子无基波损耗，转子温升应该较低，但实际情况则不然。以作者研制的一台增安型稀土永磁同步电机为例，试验时出现转子温升高达1 25°C的现象。转子温度过高，会对钕铁硼永磁体造成去磁的危险，影响电机正常工作。本文分析了可能导致转子温升过大的原因，提出了降低温升的措施。

1、转子结构

REPMSM的定子取异步电机的定子，它的结构一般指转子的结构。异步起动REPMSM的转子由鼠笼条、转轴、转子铁心和永磁体组成，转子铁心由冲片叠压而成，并在转子铁心内填入钕铁硼永磁体，同时铸铝形成鼠笼，如图1所示。其起动过程同异步电机，当定子电枢绕组中通人三相对称交流电时，形成圆形旋转磁场，此时转子静止，转子鼠笼切割磁力线，并感应出交流电形成交变磁场，与定子磁场作用，转子开始转动。当转子转速接近同步转速时，鼠笼条中不再产生感应电流，而是永磁体形成的恒定磁场与定子磁场同步旋转，进入正常运行。

图1 转子结构示意图

2 转子温升产生原因

电机运行时的发热，均来自于电机的损耗。REPMSM同步运行时，转子损耗包括永磁体损耗和谐波损耗等。

2.1永磁体损耗 ：钕铁硼的电阻率是(1．44×l0ˉ)Ω·m，具有一定的导电性，会在交变磁场中产生涡流损耗。钕铁硼的导热率为7.7cal／m．h．°C，传热性差。钕铁硼磁铁容易生锈、氧化，使热量难以向外传导，加剧了转子的温升。

2.2谐波损耗：受齿槽效应、定子磁场等因素影响，电机气隙中的谐波磁场很复杂。气隙中的谐波磁场以不同的速度相对于转子运动，在转子铁心和鼠笼条中感应电流，从而产生谐波损耗，使转子温度升高。

3 降低温升的措施

由上述分析，提出相应解决方法如下。

3.1)永磁体分段、分层：永磁体的放置不再是整段材料，而是将一段永磁体分为多个小段或多个层，如图2。并且对永磁体段(层)表面进行电泳处理，以减小涡流损耗，降低转子温升。

3.2)增大气隙：对于异步电机，增大气隙会增大漏磁，使励磁电流增大，效率降低。而对于稀土永磁同步电机，加大气隙，则可增大高次谐波气隙磁场磁阻和谐波漏抗，减少其磁链的交链程度，削弱谐波电流，降低定、转子表面损耗和谐波损耗等，从而起到降低温升的作用。

3.3)转子采用半闭El槽或闭口槽：这样可以减少转子铁心表面损耗和齿内脉振损耗，并使有效气隙长度减小，改善功率因数，同时降低气隙磁导谐波的脉振幅值，减小磁导谐波引起的谐波损耗。

3.4)选取适当的槽配合：谐波次数越低，转子槽数越多，损耗就越大；定、转子槽数比接近于1时，损耗最小，因此尽可能选取近槽配合。

3.5)定子绕组双层短距分布绕组：双层短距分布绕组根据需要选择不同的跨距，可以减少高次谐波，又使基波电动势减少不大，从而有效改善了气隙磁场的波形，减少谐波损耗，降低温升。

3.6)选用高质量钕铁硼永磁体：在实际应用中发现，不同厂家生产的同牌号钕铁硼永磁体性能有较大差异。钕铁硼牌号不同，产生的涡流损耗大小不同，并且导热率也有所差异。选择导热率相对较大的高性能钕铁硼永磁材料，有利于磁钢上热量的传导，从而降低转子温升。

4 样机转子温升的改善措施及效果

由上述分析，更换样机所用的钕铁硼永磁铁牌号，由以前的40SH换为33UH，重新进行温升试验，结果是定子铁心温度为80℃，温升为51℃，转子铁心温度为140℃，温升为110℃。更换永磁体后转子铁心温升下降了10℃，可见永磁体涡流损耗对转子温升影响很大。

5 结语

本文探讨了稀土永磁同步电机转子温升过高的原因，并分析提出了降低转子温升的方法。在对原样机更换永磁体牌号后进行试验，表明永磁体的涡流损耗对转子温度影响很大。因此，若在电机制造过程中能采取永磁体分段或分层等措施，转子温升会有所下降.

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