高速永磁同步電機的損耗分析與溫度場計算.pdf

1、永磁同步電機效率高、結(jié)構(gòu)簡單、功率因數(shù)高、控制特性好，特別適合高速運行，已廣泛應(yīng)用于機械加工業(yè)、電動工具、飛輪儲能、高速離心機、高速壓縮機等領(lǐng)域。繞組交流損耗、定子鐵心損耗以及轉(zhuǎn)子渦流損耗的準確計算是高速永磁同步電機的關(guān)鍵問題，也是學(xué)術(shù)界研究的熱點。本文針對高速永磁同步電機的高頻損耗及溫升問題進行了研究，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)值計算以及相關(guān)的實驗研究；驅(qū)動方式和轉(zhuǎn)子位置檢測誤差對電機損耗的影響分析以

2、及高速永磁同步電機三次諧波無位置傳感器控制實驗平臺的構(gòu)建；高速永磁同步電機電磁場-溫度場的雙向耦合計算。
　　對高頻電流引起的繞組趨膚效應(yīng)、鄰近效應(yīng)進行了深入研究，分析了逆變器PWM諧波電流對高速永磁同步電機繞組交流損耗的影響，得出了電機繞組的交、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槽口寬度和槽口高度的變化規(guī)律，對槽內(nèi)不同位置處的導(dǎo)體交流損耗進行了對比，指出離槽口最近的導(dǎo)體交流損耗最大。通過分析導(dǎo)體直徑對導(dǎo)

3、體交、直流損耗的影響，得出在電流頻率和幅值一定時，導(dǎo)體總損耗隨導(dǎo)體直徑變化存在極小值的結(jié)論。對保持導(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行了研究，指出保持導(dǎo)體總面積一定時，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。實驗研究了逆變器PWM諧波以及多股并繞對繞組高頻交流損耗的影響，證明了有限元計算結(jié)果

4、的正確性。
　　高速電機頻率較高，傳統(tǒng)的鐵耗計算模型需要測量硅鋼片的高頻損耗曲線或者根據(jù)經(jīng)驗系數(shù)進行估算，已經(jīng)不能滿足高速電機鐵耗計算的要求，由此提出一種綜合考慮電機旋轉(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的鐵心損耗計算。實驗證明該計算模型在高、低頻時都有較高的計算精度。采用該計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高速永磁同步電機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、保護套、渦流電樞反應(yīng)以及電機有限長度影響的永磁同步電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的解析計算模型，采用該模型對定子諧波電流在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生的渦流損耗進行了分析。采用時步有限元法研究了逆變器PWM諧波電流、定子槽口尺寸、氣隙長度、保護套材料及厚度對電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響。通過損耗分離實驗，證明了解析法和有限元法計算結(jié)果的正確性。

6、>　　永磁同步電機可分為方波驅(qū)動永磁同步電機和正弦波驅(qū)動永磁同步電機，兩種驅(qū)動方式電機的電流波形不同，因此電機的性能和損耗也有所不同。采用有限元法對不同驅(qū)動方式下的電機損耗進行了數(shù)值分析和實驗研究。分析結(jié)果表明，方波驅(qū)動方式下的電機損耗比正弦波驅(qū)動時大，而且隨著轉(zhuǎn)速的升高差值變大。研究了轉(zhuǎn)子檢測誤差對高速永磁同步電機損耗的影響，指出轉(zhuǎn)子位置檢測誤差對高速永磁同步電機的損耗影響較大。針對方波無位置傳感器控制永磁同步電機在高速時電機損耗較大

7、，正弦波無位置傳感器控制起動困難和低速性能差的缺點，基于三次諧波法構(gòu)建了方波和正弦波兩種驅(qū)動方式相結(jié)合的新型高速永磁同步電機無位置傳感器控制實驗平臺。對三次諧波法轉(zhuǎn)子位置估算誤差進行了理論分析和實驗研究，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、靜態(tài)性能。
　　對釹鐵硼永磁材料的溫度敏感性進行了研究，分析了恒電流控制和恒轉(zhuǎn)矩控制兩種控制策略下，溫度對電機繞組交流損耗、定子鐵心損耗以及轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響，指出實現(xiàn)電機電