永磁屏蔽泵的电磁场模拟分析

屏蔽泵集屏蔽电动机、屏蔽套和离心泵于一体，在石油、化工、国防、航天、制冷、空调等行业中用于输送易燃、易爆、腐蚀性、放射性以及贵重的液体，具有输送时完全无泄漏、运转平稳、噪声低、防爆等特点［1-4］.屏蔽泵在现代工业生产中的应用也越来越广泛.但是普通屏蔽泵的结构导致它的电动机功率因数和效率较一般异步电动机低，屏蔽泵机组效率十分不理想.因此，研发新型的屏蔽泵，提高屏蔽泵的效率和可靠性，具有重要意义.永磁屏蔽泵是集离心泵的水力部件、永磁屏蔽电动机［5］为一体的新型屏蔽泵.永磁屏蔽电动机内置永磁块，可以提高电动机功率因数，实现异步起动、同步运行，从而减少铁耗，提高泵效率.

目前，永磁屏蔽电动机的设计方法尚不成熟，对永磁屏蔽电动机的内部磁场模拟研究较少.笔者运用An soft Maxwell［6］软件对2种磁路结构的永磁电动机进行磁场模拟，分析不同工况下半个周期内的磁场分布情况及屏蔽套厚度、材料对电动机性能的影响.

1 软件与建模

以一屏蔽泵的永磁屏蔽电动机为例，永磁屏蔽电动机的额定功率P=5.5kW，同步转速n=3000 r·min-1，额定频率f=50Hz，选用钕铁硼NdFeB作为永磁材料，其20℃时的主要性能指标:磁感应强度Br=1.320T;内禀矫顽力HC=955kA·m;最大磁能积BHmax=334kJ·m-3.

1.1 永磁电动机结构

采用永磁屏蔽泵结构如图1所示.永磁屏蔽电动机由定子、转子和端盖等部件构成［7-8］.

图1 永磁屏蔽泵的结构

图2为永磁屏蔽电动机的横截面示意图.其中，定子内径D1=17.5mm，定子外径Di1=9.8mm，转子内径Di2=3.1mm，定子槽数Q1=36，转子槽数Q2=28，定子铁心长度L1=23cm，转子铁心长度L2=23cm，极距τ=15.394cm，计算气隙 δ=0.13cm，永磁体轴向长度Lm=0.4cm，永磁体宽度bm=0.54 cm，绕组因素Kdp=0.969，线圈绕组形式为双层叠绕，采用星型连接.电动机内部采用了倒U型磁路结构.由于内置式永磁同步电动机的永磁体在转子铁心内部，漏磁较大，永磁体的利用率较低，采取相应的隔磁措施.隔磁使转子结构趋于复杂、机械强度变差，因此在保证隔磁效果的前提下，隔磁措施应简单易行.

图2 永磁屏蔽电动机的截面图

1.2 建模

在几何模型的建立中，可以利用周期性、对称性简化模型，提高计算效率.永磁屏蔽电动机的几何模型如图3所示.

图3 永磁屏蔽电动机在Ansoft中的几何模型

1.3 网格划分

在Ansoft3D模块中对其划分网格，采用自适应网格剖分，在几何结构突变处与计算场量变化大处对网格滑移面进行加密，其他部位则较为稀疏，这样既保证瞬态磁场计算精度，也保证了计算速度.其中线圈部分，定、转子槽型部分需要网格细分，如图4所示，整个屏蔽电动机网格数为1243785.

设置自适应求解器收敛判据:Maxwell3D＞Analysis Setup＞Add Solution Setup，最大迭代循环次数为10，误差＜5% ，每次迭代加密剖分的比例为50%.定义材料属性:定、转子冲片采用的是冷轧硅钢片DW315-50;永磁体为NdFeB;定、转子屏蔽套为不导磁材料HASTELLOY-C(哈斯特罗合金)密度为9.2g·cm-3，磁导率≤1.001H·m-1;转轴为不锈钢材料;导条为铝材.

图4 三维屏蔽电动机网格划分

2 内部磁场分析

2.1 磁路结构影响

转子磁路结构［9-11］不同，则电动机的运行性能、制造工艺和适用场合也不同.本模型采用了倒U型转子结构，为了优化设计针对2种不同U型转子结构做了模拟结果对比.

永磁屏蔽电动机以同步转速3000r·min-1工作，定子电流几乎为0.气隙中仅存在转子内部永磁体产生的磁场，其磁力线分布如图5所示.

图5 永磁屏蔽电动机内部磁力线分布

从图5可以看出，转子内部永磁体结构对永磁屏蔽电动机内部磁力线的分布有很大的影响.图5a中，两侧的转子齿和定子齿中没有磁力线通过，有很大一部分磁力线在转子内部就形成了回路，而且在永磁体端部的漏磁严重，严重影响了永磁屏蔽电动机的性能.图5b中，将永磁体的U型结构改为倒U型，并适当地增大磁块间距离，使磁力线在永磁屏蔽电动机内部的分布更加均匀.并在两侧永磁体的下部增加了空气槽进行隔磁，基本上使所有的磁力线都通过转子到达定子，形成了定子-转子的磁力线回路，最大限度地利用了永磁体.采用最少的永磁体就能达到所需的永磁屏蔽电动机性能，从而节约了生产成本.

2.2 气隙影响

在转子与定子之间的气隙处，通过定义路径，在气隙中心取1/2圆弧(θ=0°～180°)，得到该圆弧处的气隙磁密B的波形，如图6所示.

图6 气隙磁密波形图

为减小励磁电流，提高功率因数，通常使气隙长度尽可能的小，而在永磁屏蔽电动机中，功率因数可以通过改变绕组匝数和永磁体进行调整.因此，通常比同容量的感应电动机气隙长度稍大.

在永磁屏蔽电动机中，气隙要选择适中，过大或过小都会对电动机造成影响.气隙过大，齿槽力矩变小，其它高次谐波引起的力矩波动也弱些，电动机的平稳性好些，噪声也小些，但是它将使磁阻增大，因而使激磁电流磁通增大，气隙磁密减少，电动机的效率降低.如果气隙过小，将会使铁芯损耗增加，运行时转子铁芯可能与定子铁芯相碰触，甚至难以起动鼠笼式转子.

永磁屏蔽电动机的气隙磁密波形如图7，8所示，当气隙δ=1.0mm时，气隙内的磁通密度平均值约为0.350T;而当气隙δ=1.5mm时，气隙内的磁通密度平均值约为0.330T.

图7 δ=1.0mm的气隙磁通密度

图8 δ=1.5 mm的气隙磁通密度

因此，在保证屏蔽套厚度不变的情况下，随着定、转子屏蔽套之间的气隙增加，空气的磁阻增大，气隙内的磁密降低，通过气隙到达定子时的磁通也会减小，永磁屏蔽电动机的效率也会降低，电动机设计中应尽量避免.

2.3 涡流影响

屏蔽电动机效率主要受屏蔽套涡流损耗的影响［12-13］，磁力线穿插定、转子屏蔽套时在其内部产生磁涡流，降低了能量传递的效率，制约了电动机的高效节能.通过对电动机进行三维涡流场模拟，得到定、转子屏蔽套内部涡流分布情况，如图9所示.

图9 屏蔽电动机涡流场分析

从图9a，b可以看出，定子屏蔽套内涡流分布比转子屏蔽套内涡流分布密集，涡流数目较多.一般情况下，在定、转子屏蔽套材料及厚度相同时，转子屏蔽套涡流损耗约为定子屏蔽套损耗的10%.由于采用的是2极电动机，所以涡流在屏蔽套两端沿轴向呈“2极”分布，经过自适应求解，读出屏蔽套涡流损耗数值.计算得到不同材料屏蔽套涡流损耗P1分布情况，如图10所示.

图10 屏蔽套损耗随材料特性的变化

3 验证

从图6可以看出，气隙磁密约为0.390 T，这与设计过程中的气隙磁密0.396 T的误差为1.5%;模拟的电动机气隙磁密波形基本为一平顶波与文献［14］中提出的永磁同步电动机气隙磁密波形特征一致，说明该电动机的磁路设计和永磁体的布置是合理的，能够达到预定的设计要求.

4 结论

对一永磁屏蔽电动机定转子进行三维建模，利用有限元软件An soft对其内部磁场进行数值模拟计算，能清晰地得出不同转子磁路结构下的磁力线分布.通过不同永磁结构的内部磁场分析，为磁路结构的设计提供了可靠的依据.通过对影响永磁屏蔽电动机性能的气隙、屏蔽套的分析，对优化永磁屏蔽泵设计具有重要参考价值.