儀表儀器現代化及智能發展趨勢
耐高溫永磁電機關鍵技術分析
作者:利愛電氣
|
發布時間: 2020-07-16
|
3469 次瀏覽
在低溫至高溫的寬溫區范圍、真空等航天惡劣環境下，永磁電機電磁參數變化很大，材料發生非線性變化
1、電機多物理場分析方法
在低溫至高溫的寬溫區范圍、真空等航天惡劣環境下，永磁電機電磁參數變化很大，材料發生非線性變化，電磁場、溫度場、流體場、應力場等各個物理場之間耦合關系更加復雜，在正常環境下可以忽略的多物理場耦合關系變得不可忽略，成為關鍵的技術難題 。電機的鐵心損耗、風摩損耗、電機溫升不但與環境溫度和壓強密切相關，而且相互影響。在真空環境中，散熱條件特殊，與相毗鄰部件的形狀及表面屬性相關，熱輻射與表面溫度成非線性關系。真空至高壓強的變化影響應力和材料特性變化，使得電機的多物理場建模難度增大。因此惡劣環境下永磁電機內各物理場耦合關系非常復雜，研究各物理量和物理場的耦合關系及其動態變化規律非常困難 。
永磁電機的多物理場分析方法以數值解析法和有限元分析為主。在數值解析方面，通用的建模方法有傳統矩陣法、鍵合圖法、聯結法、網絡法等 。鐘掘院士等提出了對復雜機電系統進行全局耦合分析及耦合并行設計的基本理論 。賀尚紅教授等提出建立復雜網絡拓撲結構的建模矩陣法，并建立機、電、液傳遞矩陣統一模型。文獻采用廣義控制系統對發動機多場耦合數值仿真建立統一的數學模型，求解氣、熱、彈耦合的變域差分問題。介紹了多場耦合的節點映射方法，討論了場域內載荷傳遞。但是數值解析法在耦合建模和求解仍存在較多問題，由于假設條件和忽略因素過多，導致計算精度不夠。在有限元分析方面，眾多 CAD /CAE 軟件公司，如 Ansys、Flux、SIMULIA、UGS 等開發多物理場耦合計算工具，已應用于航空聲學、磁流體力學、動態流固耦合等領域，電磁計算的精度和效率逐步提高。2007 年英國創刊的 《InternationalJournal of Multi Physics》雜志每年召開多場耦合會議，重點關注數值模型、模型計算、實驗調查，其中包括電機多物理場分析。
在傳統多物理場耦合分析方面，采用交替迭代的方法可以有效解決弱耦合以及周期穩態強耦合場問題，直接耦合方法則是分析暫態強耦合場問題的最佳途徑。最初的多場耦合計算是采用順序單次耦合迭代方法，計算量較少，但是由于沒有考慮多場耦合，計算精確度較差。針對單次順序耦合的不足，提出了同一模型順序耦合計算方法，省去了兩次建模的過程，但是要求多物理場的耦合模型剖分一致且合理，否則計算結果差距較大，并且計算量比較大。同時，在分析含有外電路的直流無刷電機時，還需結合場路耦合分析，妥善處理非線性電路分析中仿真步長與計算量間的矛盾 。由此可見，由于耐高溫電機內耦合物理場多、耦合關系復雜、環境邊界復雜，現有的耦合場建模與解耦計算方法有待進一步改進。
2、電機材料與器件特性變化規律
常規電機所用的材料，例如永磁體、電磁線和絕緣材料等，在高溫、低溫等惡劣環境下使用時會出現性能下降、失效、可靠性降低等問題。另一方面，高溫環境下永磁電機材料的特性變化規律復雜，在溫度范圍近 300℃時，硅鋼片的特性變化明顯，電磁線導電特性變化近3 倍，釤鈷永磁材料特性變化30% ，流體黏度特性變化可能達到10 倍以上，絕緣材料的導電特性與介電強度特性發生變化。
耐高溫永磁電機常采用釤鈷永磁材料，釤鈷Sm2Co17永磁材料工作溫度高達350℃。當工作溫度更高時，考慮采用鋁鎳鈷材料，其最高使用溫度可達520℃，溫度系數為－0. 2% /℃，但其矯頑力低，通常小于160kA /m，在磁路設計時必須校核其去磁工作點。目前已研制出的新型稀土永磁材料，如釹鐵氮、釤鐵氮等，其磁粉的最大磁能積可達 40MGOe，接近釹鐵硼磁粉的 3 倍，而原材料成本是釹鐵硼磁粉的1 /3，但尚處于實驗室研制階段。硅鋼片的磁化曲線和損耗特性曲線對電機的損耗計算、過載能力計算等非常關鍵; 硅鋼片疊片膠粘劑的熱穩定性對電機在高溫、高速運轉下的安全和穩定性有著直接的影響。日本學者Takahashi 等利用具有 700 個節點的網絡模型分析了具有單匝線圈的旋轉電機中定子線圈股線中的溫度分布 ; 分析高溫膨脹引起的機械應力對硅鋼片磁特性的影響，結果表明，隨著壓應力的增大，硅鋼片的磁導率明顯下降，比總損耗顯著升高。絕緣材料的絕緣性能影響電機的安全運行、可靠性和壽命。美國杜邦公司生產聚酰亞胺薄膜和聚酰亞胺膠帶，用于電機電磁線絕緣、電機槽絕緣，最高耐溫可達400℃。若電機產生的熱量使溫度超過了500℃，可以采用陶瓷絕緣。
高溫環境下電子器件的特性不但發生明顯變化，還會出現熱噪聲等特殊現象，例如: 模擬器件的參數和線性度變化范圍大; 數字電路抗干擾性變差，出現熱噪聲等特殊現象; 功率器件的輸出特性發生變化，電容電阻的參數漂移明顯。發達國家研制出耐惡劣環境的電子器件，然而因技術保密，可供查詢的文獻極少。由于材料特性和器件特性是電機與驅動控制電路設計的基礎，在高溫、低溫等惡劣環境下，電機材料與電子器件特性的變化規律的獲取和精確模型的建立是耐高溫永磁電機的關鍵技術難題。
3、永磁電機損耗、溫升和冷卻分析
在高溫環境下，永磁電機中材料屬性發生變化，引起鐵心損耗、繞組銅損、轉子損耗均發生顯著變化。在傳熱方面，真空或電機內部充油時傳熱方式不同，電機內部溫度分布規律復雜; 在散熱方面，航天用電機的冷卻環境和冷卻條件受到制約，很難設計水冷、風冷等措施，導致其散熱困難。當電機工作在高溫、高速、高功率密度等極限條件下，其發熱溫升更嚴重。電機溫升過高造成永磁體出現不可逆失磁、漆包線絕緣層破壞甚至電機讓繞組燒毀等事故，因此，損耗與溫升的準確計算是耐高溫永磁電機設計與分析的關鍵技術之一，并且電機發熱溫升也是影響電機可靠性和壽命的最主要因素。
目前，對永磁電機熱問題的研究，主要集中在對熱計算方法的研究上。熱計算方法主要有五種:公式法、等效熱路法、熱網格法、溫度場法和參數辨識法，其中溫度場法是目前最常用的方法。溫度場計算中對熱源 ( 電機損耗) 的計算是基礎。銅耗的計算應主要考慮繞組電阻值受外界環境 ( 如濕度、溫度等) 的影響，以及槽內導體的集膚效應等影響。而電機鐵心損耗的計算，目前較準確的鐵心損耗計算方法是依據分離鐵耗模型，根據產生原因的不同將鐵耗分為磁滯損耗、渦流損耗和雜散損耗，考慮電機內的旋轉磁化和交變磁化分別加以計算 。在計算中，對鐵心損耗系數及修正系數的確定至關重要。高溫環境下，電機負載大范圍變化，它不但使得電機繞組內的電流變化影響銅耗的產生，還導致氣隙磁密波形的非正弦性從而影響鐵耗。因此對高溫環境永磁電機損耗的計算，需要綜合考慮外界環境溫度、電機極限性能及工作狀態等各方面的影響因素。
以損耗為熱 源，考慮電機的傳熱散熱途徑，建立電機的溫度場，以期得到電機各點的溫度和溫升規律，通常電機溫度場模型中電機材料熱系數是恒定的量，而在高溫環境下，不但電機損耗是時變的，而且電機材料的導熱系數等熱參數也受環境的壓力、溫度等變化影響 。因此需要充分考慮惡劣環境的因素，采用數值計算和有限元分析相結合對永磁電機進行熱問題研究，并且通過模擬實驗環境進行測試驗證，是拓展永磁電機系統在高溫環境條件下安全工作的重要保證。
4、電機失效機理及壽命預估方法
高溫環境下永磁電機及電子電路的發熱更容易導致電機及其驅動控制器的性能下降甚至失效。在電機失效機理的研究方面，主要是對絕緣層失效和永磁體失磁的研究。由于缺乏精確的老化數學模型及絕緣失效機理定量描述困難，對電機絕緣的研究一直是電機絕緣診斷技術中的難題，目前的方法主要還是通過非破壞參量來預測剩余擊穿電壓，從而評估電機的絕緣狀態 。而永磁體失磁的主要原因在于在高溫或高低溫交替環境下渦流場引起的損耗溫升，因此研究主要集中在對渦流場的計算，通過對主絕緣性能的評估，來實現對電機壽命的預測。
目前，國內對電機壽命的研究主要在于對大型電機的研究，這是因為大電機運行條件復雜、惡劣，在長期運行過程中，絕緣逐漸老化，擊穿電壓逐步下降， 而對中小型電機的壽命研究較少，特別是在高溫環境下永磁電機的失效機理及壽命預估研究更少 。而實際上，對于工作在極限性能狀態或耐高溫環境下的中小型電機，由于其極限應用，永磁電機的電磁負荷設計高，電機絕緣老化速度較常規電機會加快，也存在繞組絕緣老化被擊穿失效導致電機燒毀等問題。此外，通常常規電機的電磁負荷設計不是很高，而且為保證電機可靠性常延長電機的設計壽命。而耐高溫永磁電機設計是以追求電機的環境適應性和極限應用為目標，只有認清了電機失效機理及準確預測電機壽命規律，才能在電機設計應用中真正實現該目標。因此，耐高溫永磁電機的失效機理及壽命預測研究是另一個關鍵的技術難題。
5、高低溫環境永磁電機驅動控制技術
高低溫環境下電機系統的器件特性和指標變化大，電機模型與參數復雜，非線性度增加、耦合程度增加，功率器件損耗變化大，不但驅動器的損耗分析與溫升控制策略復雜，而且四象限運行控制更加重要，常規的驅動控制器設計和電機系統控制策略不能滿足高溫環境的要求。常規設計的驅動控制器工作在環境溫度相對穩定條件下，而且很少考慮質量、體積等指標。然而在極端工況下，環境溫度在－70 ～ 180℃的寬溫區范圍內變化，大部分的功率器件無法在此低溫中啟動，導致驅動器功能失效。另外受電機系統總質量限制，驅動控制器的散熱性能必然要大幅度減小，這反過來影響驅動控制器的性能及可靠性。
超高溫條件下，成熟的SPWM、SVPWM、矢量控制方法等開關損耗較大，應用受到限制。隨著控制理論和全數字控制技術的發展，速度前饋、人工智能、模糊控制、神經元網絡、滑模變結構控制和混沌控制等各種先進算法在現代永磁電機伺服控制中都有了成功的應用。CalogeroCavallaro 提出了包含鐵損的永磁同步電機動態模型 ，并基于該模型提出了內置式永磁同步電機損耗最小控制算法。然而各種控制策略都有其自身難以克服的缺點，尤其是環境變化帶來的參數問題、耦合問題、損耗問題、模型復雜等，使得目前的方法都存在局限性。對耐高溫環境電機驅動控制系統，必須以物理場計算為基礎，密切結合材料與器件特性的變化特點，建立電機－變流器一體化模型，進行場路耦合分析才能充分考慮環境對電機系統特性的影響，充分利用現代控制技術以及智能控制技術，才能提高電機綜合控制品質。另外，工作于惡劣環境下的永磁電機由于不易更換，處于長時間運行工況下，并且外部環境參數 ( 包括: 溫度、壓強、氣流速度和方向等) 變化復雜，導致電機系統工況隨動。因此，必須研究參數攝動以及外部擾動情況下永磁電機高魯棒性驅動控制器的設計技術。
上一篇：
利愛電氣——永磁同步伺服電機性能特點
下一篇：
永磁電機正在向四個方面發展