高速永磁同步電機(jī)的損耗分析與溫度場(chǎng)計(jì)算.pdf

1、永磁同步電機(jī)效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功率因數(shù)高、控制特性好，特別適合高速運(yùn)行，已廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工業(yè)、電動(dòng)工具、飛輪儲(chǔ)能、高速離心機(jī)、高速壓縮機(jī)等領(lǐng)域。繞組交流損耗、定子鐵心損耗以及轉(zhuǎn)子渦流損耗的準(zhǔn)確計(jì)算是高速永磁同步電機(jī)的關(guān)鍵問(wèn)題，也是學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)高速永磁同步電機(jī)的高頻損耗及溫升問(wèn)題進(jìn)行了研究，包括：定子繞組高頻銅耗、鐵心損耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗的解析分析和數(shù)值計(jì)算以及相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究；驅(qū)動(dòng)方式和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)誤差對(duì)電機(jī)損耗的影響分析以

2、及高速永磁同步電機(jī)三次諧波無(wú)位置傳感器控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的構(gòu)建；高速永磁同步電機(jī)電磁場(chǎng)-溫度場(chǎng)的雙向耦合計(jì)算。
　　對(duì)高頻電流引起的繞組趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)進(jìn)行了深入研究，分析了逆變器PWM諧波電流對(duì)高速永磁同步電機(jī)繞組交流損耗的影響，得出了電機(jī)繞組的交、直流損耗比隨PWM載波比的變化規(guī)律。研究了繞組交流損耗隨電機(jī)槽口寬度和槽口高度的變化規(guī)律，對(duì)槽內(nèi)不同位置處的導(dǎo)體交流損耗進(jìn)行了對(duì)比，指出離槽口最近的導(dǎo)體交流損耗最大。通過(guò)分析導(dǎo)體直徑對(duì)導(dǎo)

3、體交、直流損耗的影響，得出在電流頻率和幅值一定時(shí)，導(dǎo)體總損耗隨導(dǎo)體直徑變化存在極小值的結(jié)論。對(duì)保持導(dǎo)體總面積相等，采用多股并繞減小高頻交流損耗的方法進(jìn)行了研究，指出保持導(dǎo)體總面積一定時(shí)，不同并繞根數(shù)的繞組有不同的臨界頻率。在臨界頻率以下，并繞時(shí)繞組的交流損耗小于不采用并繞的繞組；在臨界頻率以上，采用并繞方式的繞組交流損耗反而比不采用并繞的繞組交流損耗大。實(shí)驗(yàn)研究了逆變器PWM諧波以及多股并繞對(duì)繞組高頻交流損耗的影響，證明了有限元計(jì)算結(jié)果

4、的正確性。
　　高速電機(jī)頻率較高，傳統(tǒng)的鐵耗計(jì)算模型需要測(cè)量硅鋼片的高頻損耗曲線或者根據(jù)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行估算，已經(jīng)不能滿足高速電機(jī)鐵耗計(jì)算的要求，由此提出一種綜合考慮電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁化和高頻趨膚效應(yīng)的變系數(shù)正交分解高頻鐵心損耗計(jì)算模型。該模型只需根據(jù)硅鋼片廠家提供的交變磁化方式下測(cè)得的低頻損耗曲線即可擬合出相關(guān)的損耗系數(shù)，因此特別適合高速電機(jī)的鐵心損耗計(jì)算。實(shí)驗(yàn)證明該計(jì)算模型在高、低頻時(shí)都有較高的計(jì)算精度。采用該計(jì)算模型分析了逆變器PWM諧

5、波電流、永磁體充磁方向、磁鋼斜邊角以及溫度對(duì)高速永磁同步電機(jī)定子鐵心損耗的影響。
　　基于等效電流片原理建立了考慮氣隙、保護(hù)套、渦流電樞反應(yīng)以及電機(jī)有限長(zhǎng)度影響的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗的解析計(jì)算模型，采用該模型對(duì)定子諧波電流在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的渦流損耗進(jìn)行了分析。采用時(shí)步有限元法研究了逆變器PWM諧波電流、定子槽口尺寸、氣隙長(zhǎng)度、保護(hù)套材料及厚度對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。通過(guò)損耗分離實(shí)驗(yàn)，證明了解析法和有限元法計(jì)算結(jié)果的正確性。

6、>　　永磁同步電機(jī)可分為方波驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)和正弦波驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)，兩種驅(qū)動(dòng)方式電機(jī)的電流波形不同，因此電機(jī)的性能和損耗也有所不同。采用有限元法對(duì)不同驅(qū)動(dòng)方式下的電機(jī)損耗進(jìn)行了數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)研究。分析結(jié)果表明，方波驅(qū)動(dòng)方式下的電機(jī)損耗比正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)大，而且隨著轉(zhuǎn)速的升高差值變大。研究了轉(zhuǎn)子檢測(cè)誤差對(duì)高速永磁同步電機(jī)損耗的影響，指出轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)誤差對(duì)高速永磁同步電機(jī)的損耗影響較大。針對(duì)方波無(wú)位置傳感器控制永磁同步電機(jī)在高速時(shí)電機(jī)損耗較大

7、，正弦波無(wú)位置傳感器控制起動(dòng)困難和低速性能差的缺點(diǎn)，基于三次諧波法構(gòu)建了方波和正弦波兩種驅(qū)動(dòng)方式相結(jié)合的新型高速永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)三次諧波法轉(zhuǎn)子位置估算誤差進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，并采用一階保持法提高了轉(zhuǎn)子位置估算精度，改善了系統(tǒng)的動(dòng)、靜態(tài)性能。
　　對(duì)釹鐵硼永磁材料的溫度敏感性進(jìn)行了研究，分析了恒電流控制和恒轉(zhuǎn)矩控制兩種控制策略下，溫度對(duì)電機(jī)繞組交流損耗、定子鐵心損耗以及轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響，指出實(shí)現(xiàn)電機(jī)電