变频供电条件下感应电机空载铁耗分布特点及其精细化分析

变频供电条件下电源谐波与电机内部谐波共同作用下损耗产生机理及分布特点更为复杂,使得电机铁耗准确计算及精细化分析对于高效变频电机设计至关重要。以一台5.5 k W变频感应电机为例,分析了变频供电时电机定转子主要位置磁密变化情况;为了准确计算铁耗,提出一种损耗系数随磁密幅值和频率变化的两项式分段变系数铁耗模型,该模型在经典两项式常系数铁耗模型基础上引入两个附加磁密项,用于考虑非线性特性及谐波磁场对磁滞和涡流损耗的影响;进一步利用该模型对变频供电时电机铁耗进行了精细化分析,揭示了定转子铁心磁滞和涡流损耗的分布规律,并获得了谐波磁场在定转子铁心产生附加铁耗的变化特点。通过对不同电压及开关频率下的空载铁耗进行实测对比,验证了文中模型及分析结果正确性。文中研究成果可为高效变频电机设计提供重要理论支撑。     

空压机用高速永磁电机铁心和磁钢损耗的影响因素

高速电机具有电流频率高、定子铁耗和转子涡流损耗大等特点。针对额定功率10 kW、额定转速100 000 r/min空压机用高速永磁电机,对比分析了平行充磁和径向充磁、脉冲振幅调制(PAM)方波驱动和基于SiC的正弦波驱动时对损耗的影响。分析结果表明,平行充磁气隙磁密谐波小,空载定子铁心损耗比径向充磁低约40%;驱动方式对电机损耗尤其是转子损耗影响较大,正弦波驱动时转子损耗几乎可忽略,方波驱动时转子损耗占比可达总损耗的20%。针对方波驱动转子损耗大的问题,在转子表面增加一层铜屏蔽层,分析结果表明可以有效降低转子涡流损耗。对同一台带压缩机负载的高速电机对比测试了2种驱动器控制下的母线输入的有功功率,验证了驱动方式对电机损耗的影响。     

过电压条件下谐波磁场对异步电机附加损耗的影响

为了研究过电压条件下谐波磁场对异步电机附加损耗的影响,以一台Y132S-4、5.5kW电机为例,利用时步有限元法研究了过电压下定转子铁心谐波磁密和转子导条谐波电密在额定负载时的变化规律及产生原因,进一步分析其对附加损耗的影响。结果显示,在附加铁耗方面,过电压引起磁路饱和,导致定子铁心轭部、齿身3次谐波磁场和磁导谐波磁场增加,同时受定转子绕组电流降低的影响,由其产生的齿谐波磁场在定转子铁心齿顶区域引起的附加铁耗降低,两者共同作用导致附加铁耗由380V时的44W降低到420V时的35W;在附加铜耗方面,过电压引起角接绕组3次谐波电流及相应定子附加铜耗增加,受转子绕组电流降低的影响,由其引起的齿谐波磁场在转子导条中感生的高频电流及相应附加铜耗降低。通过满载时不同电压下各项损耗进行实测对比,验证了文中分析正确性。     

异步电机空载铁耗分布的时步有限元分析

为研究基波及谐波铁耗在异步电机定转子铁心的分布特点,在计及斜槽前提下,建立了基于时步有限元的铁耗计算模型,以一台传统结构Y132S-4、5.5kW电机为实例,分析了空载运行时铁心不同位置磁密随时间变化波形,并得出铁心不同区域铁耗分布情况。结果显示:受谐波磁场影响,定转子损耗密度最大值均位于齿顶中间位置;进一步根据损耗密度计算不同区域铁耗发现,定子侧铁耗主要分布在齿部与轭部交界处、轭部以及齿身区域,这3个区域铁耗占总铁耗比例分别为32%、28%和17.5%,而损耗密度较大的齿顶区域铁耗仅占总铁耗2.5%,以往被忽略的转子侧铁耗则占总铁耗的15%且以谐波铁耗为主集中分布在齿顶区域。文中研究成果为进一步研究有利于降低铁耗的铁心新结构提供了必要的技术支持。     

转子偏心对大型汽轮发电机磁场分布及定子铁耗的影响

指出转子偏心是大型汽轮发电机的主要故障之一,故障发生后可能会改变气隙及铁心的磁场分布,加剧定、转子的振动,导致铁心变形、绕组磨损和绝缘破坏等严重后果。偏心后磁场的计算,传统的数值解析法推导过程复杂,准确度不高。以有限元方法为工具,建立了汽轮发电机二维瞬态场有限元模型,定量分析了发电机转子在偏心率不同时空载和额定负载工况气隙磁密各次谐波的变化情况,研究了定、转子铁心齿部和轭部磁场的分布状况,并在此基础上,讨论了不同偏心率对定子铁心损耗的影响。计算结果表明转子偏心会增加气隙磁密的偶次谐波含量,使转子偏心朝向处的定子磁密增大,反向处的定子磁密减小,导致局部过热,并增加了发电机的定子铁心损耗。     

时间谐波对永磁同步电机损耗的影响规律

为了减小永磁同步电机中由电流时间谐波引起的损耗,以一台4.2k W、8极表面式永磁电机为例,采用时步有限元法,分析了空载变频器供电时电机各部位附加损耗的分布规律;研究了不同变频器参数(包括调制比a和开关频率fc)、气隙长度δ和转子磁路结构(包括内置式和表面式)时电机各部位附加损耗的变化规律;最后,对三台样机进行实验,以验证不同变频器参数对附加损耗的影响规律。结果显示:变频器供电时,附加损耗主要集中在永磁体上,定子铁心其次,转子铁心比重最小;fc3k Hz时,每增加1k Hz,附加损耗平均降低20.7%,fc3k Hz时,每增加1k Hz,附加损耗平均降低6.5%;a每增加0.1,附加损耗平均降低18.7%;δ每增加0.1mm,附加损耗平均降低5.4%;内置式结构转子铁心附加损耗比重比表面式大,而永磁体附加损耗比重较小。     

PWM逆变器供电下非晶永磁电机的损耗分析

为了研究PWM逆变器供电情况下,非晶永磁电机损耗的分布规律,本文分析了考虑加工影响的非晶电机定子铁心损耗的计算方法以及考虑磁导谐波、磁动势谐波和载波谐波的永磁体涡流损耗分离方法。利用有限元方法分析了一台表贴式非晶永磁电机在PWM逆变器供电情况下的损耗分布规律。结果显示,由载波谐波引起的损耗是该电机最主要的损耗分量,约占总损耗的66.0%。     

材料饱和特性对永磁电机性能的影响研究

针对非晶材料饱和磁密低,非晶永磁电机性能易受铁心饱和作用影响的问题,本文提出了饱和磁密解析模型用以分析定子铁心齿部饱和作用产生的影响,该模型的特点是利用饱和前后气隙磁密的比率代替实验实测的电压比率求解出饱和系数,从而实现在电机初始设计阶段饱和效应对电机性能影响的分析与研究。基于该饱和磁路解析模型分析了定子铁心饱和对非晶永磁电机绕组电感、谐波电流以及逆变器供电情况下由载波引起的损耗的影响规律。     

定子槽开口对感应电机转子涡流损耗的影响

为了精确计算感应电机转子上的涡流损耗并探讨定子开槽对其产生的影响,对于额定功率为2.2 k W极对数为4的小型铸铝转子感应电机中转子涡流损耗情况进行了详细分析。通过建立不同定子槽开口的电机模型,结合电机内谐波磁场的理论分析与二维有限元的计算方法,研究了电机气隙谐波磁场与定子槽开口的关系,揭示了转子中不同位置的磁密与涡电流分布情况,并对比分析了不同槽开口模型中转子铁心与导条中涡流损耗的大小关系。仿真结果表明:气隙中的谐波磁场以及转子铁心表面的涡电流密度都随着定子槽开口增大而增大;转子铁心及导条中的涡流损耗随定子槽开口的增大呈二次函数的增长趋势。     

开关磁阻电机两种绕组连接方式的铁心损耗

采用有限元方法对比分析了一台三相12/8结构开关磁阻电机在两种绕组连接方式下的动态磁场分布.在(r, θ)坐标系中细致描述了电机定子铁心和转子铁心特征区域(定子齿、定子轭、转子齿、转子轭)的磁密周期性变化规律,并比较了两种绕组连结方案对电机特性不同磁场的谐波含量及其对铁心损耗的影响,从减少铁心损耗的角度为定子绕组的优化设计提供了理论基础.     

高速永磁无刷电机电磁损耗的研究概况(英文)

高速永磁无刷电机得到越来越多的关注,其电磁损耗及抑制措施就是一个研究热点。首先,由于基波频率高(可达到1 kHz以上),定子绕组的集肤效应和临近效应产生附加铜耗。附加铜耗可以通过采用细导线并绕的方法来抑制。其次,定子铁心中的磁场交变频率高,导致铁耗明显增加。为降低定子铁耗,需要设计较少的电机极数、远低于常规电机的定子铁心磁密,并采用低损耗的铁心材料。再次,由于定子磁动势的谐波频率及气隙磁场的变化频率都数倍于基波频率,在转子中产生涡流损耗,而这种涡流损耗在中、低速永磁无刷电机中往往是忽略不计的。为抑制转子涡流损耗,应减小定子磁动势的谐波分量,也可采取减小定子槽开口、加大气隙长度、对永磁体进行轴向分块、采用转子导电屏蔽层、对转子保护套周向开槽等措施。此外,适当的控制策略(如永磁无刷直流电机超前触发、永磁同步电机弱磁控制)也有助于减小电磁损耗。     

不同供电方式下永磁同步电动机铁耗计算与分析

为了研究不同供电方式对永磁同步电动机定子铁耗的影响,将定子铁心分为4个典型的区域,求得定子总损耗,将计算结果进行对比分析,验证了算法的准确性。结果表明,正弦供电时,齿轭的总损耗最高,占一半以上;其次是齿中、齿尾,齿顶的损耗最少。变频供电时,当载波比相同时,随着调制比的减小,定子铁耗增加;而当调制比相同时,随着载波比的减小,定子铁耗也增加。     

永磁电动机不同运行条件下的损耗研究

自起动永磁同步电动机,由于其运行条件经常发生变化,致使电机内部的损耗随之改变,为了研究影响其损耗的主要因素及其在不同运行条件的变化规律,在充分考虑谐波磁场与电流的情况下,利用时步有限元方法对电机各部分损耗密度进行了准确计算,从而得到不同电压及负载条件下的定、转子铜耗与铁耗.通过对定子电流、导条电流密度以及铁心磁密的谐波分析,研究了损耗的谐波含量,进而得出了影响永磁电机损耗的主要因素及其在不同运行条件的变化规律,揭示了空间齿谐波磁场对转子损耗的重要影响.通过仿真结果与实测数据进行对比,验证了损耗计算的合理性.     

供电电源包含谐波及不平衡共存时感应电机损耗特性

受系统中电源多样化及非线性负荷的影响,用户侧电源中会出现包含谐波及不平衡共存现象。当电动机运行在此类复杂电源质量条件下,会造成能效降低、温升增加,严重情况下会导致电机损坏,影响安全生产。为了研究供电电源包含谐波及不平衡共存时感应电机损耗特性,以一台5.5 kW笼型感应电机为例,设计了9种电源包含谐波及不平衡共存时的供电电源波形,进一步利用时步有限元法,分析了在上述不同供电电源波形情况下,电机内部定转子铁心磁密及转子导条电流密度的分布特点,并进一步分析了空载及负载情况下的损耗特性;最后通过试验验证了文中分析结果的正确性。     

高速永磁同步电动机铁耗分析

为分析高速永磁同步电动机定子各区域的铁耗分布情况,以一台额定功率为250 k W、额定转速为67 002 r/min的高速永磁同步电机为例,建立高速永磁同步电机的二维有限元计算模型,对定子区域进行划分,研究一个周期内各个区域径向磁密和切向磁密的变化规律,采用不同的铁耗计算模型计算出定子铁心各区域铁耗的分布特性,将定子铁耗计算结果与有限元计算结果相比较,并进一步分析高速永磁同步电机的铁耗密度分布特点。计算结果表明,高速永磁同步电机稳定运行在较高的频率时,定子铁心中的涡流损耗占总铁心损耗的比重最大,附加损耗占比最小。当考虑旋转磁场和谐波分量的影响时,定子铁心损耗的大小明显高于仅考虑交变磁场影响时的损耗,更接近有限元计算结果。虽然定子齿顶的铁耗最小,但该区域的损耗密度最大,此外,定子铁心的各个区域还存在大量的谐波铁耗。此研究可为后续高速永磁同步电机设计提供一定参考。     

开关磁阻电机定子铁损分布的时步有限元分析

以一台5.5 kW,12/8结构开关磁阻电机做为研究对象,结合转速电流双闭环驱动电路,建立二维瞬态电磁场-控制电路耦合计算模型,基于电磁场理论,采用时步有限元法,对不同负载转矩下的定子铁心损耗和磁密进行计算和分析。通过所建转速电流双闭环驱动电路,对比分析传统开环驱动电路在不同负载情况下开关磁阻电机定子铁心的磁密和损耗变化规律,研究电机在额定负载情况下,定子铁心不同区域的损耗的变化规律,结果表明在额定工况下,定子齿顶部分的铁心损耗密度最大,远大于其他3个定子所分区域,但定子齿顶部分的铁心损耗占定子铁心总损耗最少。开关磁阻电机在其他3种工况运行时,定子各区域分布规律与额定工况时相同。最后通过样机实验,将实验测量值与计算值进行对比,验证了计算方法的正确性。     

降低实心转子电机转子表面损耗方法初探

实心转子电动机有一个严重的缺点,即定子齿的脉动和定子高次谐波磁场在转子表面上造成很大的损耗,我们常把这些损耗叫做转子表面损耗。此种附加损耗使得电机效率降低,绕组的温升增高。在研制中,为使实心转子电机达到实用阶段,我们在降低双层实心转子表面损耗方面作了些探索性的工作,现介绍如下: 当定子上开有槽口时,气隙磁密中将有齿谐波存在,即当转子转动时,转子表面某一点的磁密将不为常数,转到有齿时大,转到无齿时小。此点的磁     

开关磁阻电机振动分析

开关磁阻电机的电磁噪声来源于电磁振动,通过改变电机定转子结构,从而改变定转子气隙磁密,减小气隙中的径向磁密,同时减小径向电磁力与转矩脉动,达到抑制电磁振动的目的,减小了开关磁阻电机振动,并通过傅里叶分解径向磁密观察径向磁密谐波含量,分析定子振动。通过Ansoft求得电磁力密度加载到Ansys Workbench瞬态结构中定子上,观察定子结构应力变化。得到了新定子、转子结构能有效的改善电机的振动情况。     

磁通反向永磁电机低谐波设计及其电磁性能分析

磁通反向永磁电机永磁体和绕组均位于电机定子,具有转子结构简单、机械强度高和便于冷却等优势。它通常采用分数槽非重叠集中绕组,电枢反应磁场中往往含有大量谐波,进而导致电枢电流利用率低、铁心损耗高及振动与噪声等问题。提出一种低谐波磁通反向永磁电机,基于磁场调制原理对电机气隙磁密谐波进行分析,提出合理的绕组配置方案,实现电枢磁场无效谐波的抵消。基于有限元分析,对电机低谐波设计前后的电磁性能进行了对比分析。结果表明,该低谐波设计方案可以明显降低电机齿槽转矩、铁心损耗和永磁体涡流损耗,有效改善了电机性能。     

非晶合金永磁同步电机空载损耗

为了研究电机铁心加工工艺对非晶合金材料磁化和损耗性能的影响,实验实测了非晶合金铁心的磁化性能和损耗性能,通过分析非晶合金铁心损耗测试结果,得出了铁耗计算模型中磁滞损耗系数随频率变化的修正方法。研制了两台相同结构尺寸和参数的永磁同步电机,定子铁心分别采用非晶合金材料和35W270硅钢片,对比分析了两台电机在正弦波和变频器供电情况下的空载损耗。结果显示,正弦波供电时,非晶合金电机的空载损耗仅为硅钢片电机的45%,但由于非晶合金电机在变频器供电时,时间谐波电流含量高于硅钢片电机,由此引起的谐波损耗大于硅钢片电机。