逆变器供电永磁同步电机铁耗和永磁体损耗分析

为了模拟逆变器供电变频调速永磁同步电机铁耗和永磁体损耗的精确计算,采用非线性电感参数电机模型与矢量控制技术构建电机系统性能仿真平台,开展基于SVPWM矢量控制的高密度永磁同步电机损耗相关技术研究。以48槽8极高密度永磁同步电机为例,研究逆变器供电变频调速永磁同步电机电流时间谐波对铁耗和永磁体损耗的影响,仿真分析逆变器参数与定子电流畸变率之间的关系。仿真分析表明,电流时间谐波是产生永磁体涡流损耗的主要因素;电流时间谐波对铁心涡流损耗影响大,对铁心磁滞损耗影响小;在一定的范围内,当载波比和调制比增大时,电流畸变率减小,铁耗和永磁体涡流损耗也随之减小。与正弦波供电方式相比,用逆变器供电仿真计算得到的铁耗和永磁体损耗值更接近样机实验数据,进一步验证了仿真分析方法的准确性。     

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%。     

直驱型多相永磁同步电机定子磁动势与气隙磁密特性分析

直驱型多相永磁同步电机由于相数多、采用分数槽绕组结构、电机的中性点连接与PWM控制方式多样等特点,使得电机绕组电流与磁场谐波含量极为复杂,电机性能与普通三相电机相比有较大区别,因此,有必要对其电磁特性进行细致的研究。该文建立了直驱型多相永磁同步电机定子绕组磁动势数学分析模型,给出了详细推导过程。研究了电机绕组电流和磁动势的影响因素:相数与供电方式、中性点接法、极槽匹配与绕组分布。全面分析了以上因素对直驱型多相永磁同步电机电流及磁场的影响。研究结果表明,增加电机的相数和极槽数,合理的选择中性点连接方式,可以有效减少电机的谐波含量,提高电机的性能。     

PWM控制永磁同步电机电压偏差下的损耗研究

永磁同步电机通常采用变频器进行驱动,长线路运行时易受供电质量影响出现电压偏差。为探究电压偏差对永磁同步电机损耗的影响,本文以一台50k W永磁同步电机为例,采用有限元法对其在变频驱动PWM控制时额定负载下电压发生偏差情况进行了数值计算与分析。着重研究了定子与转子铁心磁密及绕组电流的基波和谐波分量,得出了定转子铁耗、绕组铜耗以及永磁体涡流损耗的分布特性;同时,选取A相电流进行仿真并与实验测量相对比,以验证研究方法的正确性。结果表明,随着PWM控制时电压的增大,定转子铁耗、永磁体涡流损耗以及绕组铜耗均呈增加趋势。数值计算结果与实验数据相吻合。此研究可为电机设计优化提供一定参考。     

多因素影响下永磁电机定子铁耗计算

经典的常系数及分段常系数铁耗模型不能准确计算具有宽调速范围的变频永磁同步电机铁心损耗,也无法考虑到温度对铁耗损耗的影响。基于传统两项模型,综合考虑旋转磁场、高次谐波、趋肤效应、磁路饱和、小磁滞环路以及温度的影响,提出多因素影响下的永磁电机铁心损耗模型。针对一台PWM逆变器供电的内置式永磁同步电机定子铁心损耗进行计算,将计算值与实验值进行比较分析,结果表明,与传统模型相比,该模型在宽频调速范围内具有更高的准确性。     

直驱型多相永磁同步电机转矩脉动及损耗特性

与普通三相电机相比,直驱型多相永磁同步电机具有相数多、极槽匹配与绕组排布多样、中性点连接与PWM控制方式多样等特点,这使得电机绕组电流与磁场谐波含量极为复杂,电机性能也具有一定的特殊性。因此,有必要对其主要性能进行细致的研究:本文分析了电机转矩脉动及损耗与谐波磁场的关系;采用有限元软件Ansoft对目标电机进行建模,研究了直驱型多相永磁同步电机特有因素(相数与供电方式、中性点接法、极槽匹配与绕组排布)对电机转矩脉动及损耗的影响。研究结果表明,增加电机的相数和极槽数、合理的选择中性点连接方式,可以有效地减少电机磁场谐波含量,降低电机的转矩脉动及损耗。     

PWM逆变器供电引起的轴向磁通非晶电机谐波损耗的解析计算

非晶合金材料具有出色的低损耗特性,适于用作高频电机的铁心,但PWM逆变器供电会导致高频电机谐波损耗严重增加。在电机初始设计阶段,快速准确计算出谐波损耗是轴向磁通非晶合金永磁电机设计及优化的关键。针对3D时步有限元计算耗时长的问题,改进现有多环等效模型的计算方法,推导了考虑PWM逆变器供电高次谐波电流影响的气隙磁通密度解析计算方法,并在此基础上推导了定子铁心损耗及考虑涡流反作用影响的转子涡流损耗的解析计算方法。将谐波损耗的解析计算值与样机实验值以及3D有限元计算值进行对比,结果显示谐波损耗的平均计算误差仅为9.69%,解析模型具有较高的计算精度。     

自起动内嵌式变频永磁同步电动机性能分析

针对自起动内嵌式永磁同步电机(IPMSM)变频电源供电方式下电机性能进行分析,利用Ansoft软件,搭建了带起动鼠笼导条的内嵌式永磁同步电动机有限元分析模型,分析了电机的静、动态特性;场-路结合在Simplorer环境下搭建了模拟PWM变频供电外电路模型与Maxwell环境下的电机联合仿真,分析了变频供电方式下定子电流、电磁转矩、电机转速随时间变化;与正弦供电相比较变频器供电时电流谐波含量大,采用谐波电流注入法可以减小谐波电流,减小电机转矩脉动。实验结果验证了仿真分析的正确性,分析结果为变频供电时自起动永磁同步电机运行性能的改善提供了理论基础。     

电动助力转向电机控制系统死区效应研究

在汽车电动助力转向(EPS)系统中,逆变器的死区问题是影响转向电机输出性能的主要因素,表现为电流谐波含量增加,引发电机转矩脉动,增加电机附加损耗。双三相永磁同步电机采用2套定子绕组相移30°结构,通过双d-q坐标变换控制使6次谐波电流含量降低,电磁转矩总谐波含量减小。仿真结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

分数槽集中绕组永磁交流伺服电机定子磁动势及绕组系数分析

本文根据绕组电流产生磁动势的基本原理,使用Matlab软件对典型常用的几种分数槽集中绕组单元电机的定子磁势进行傅里叶级数展开,得到分数槽集中绕组磁势各次谐波的频谱图。通过对频谱的分析,得到分数槽集中绕组永磁交流伺服电机定子磁势的谐波分布规律。在磁势谐波频谱的基础上分析了分数槽集中绕组的绕组系数,得到了绕组系数分布规律及绕组系数表。为分析解决分数槽集中绕组永磁交流伺服电机其它问题打下基础,为电机的设计提供依据。     

采用载波移相技术永磁电机高频振动抑制研究

针对电压源PWM逆变器开关过程中产生高频电压必然激发电机中高频振动问题,提出一种载波移相方法抑制双PWM逆变器供电的永磁同步电机高频振动噪声。通过调节两台逆变器载波相位,控制PWM电压源逆变器中开关过程产生的谐波电压,使得电机绕组中对应高频电流产生的磁动势相互抵消,降低径向激振力,达到减小永磁同步电机高频振动目的。该方法简单实用,不影响原有控制策略,在不增加任何硬件投入情况下,大大降低电机高频振动。采用载波移相技术之后,开关频率倍频处振动加速度能有效降低18 dB左右。仿真及试验结果验证了所提方法的正确性和有效性。     

双三相永磁同步电机谐波电流抑制技术

针对双三相永磁同步电机定子电流中存在较大谐波问题,根据比例谐振(proportional resonant,PR)控制器在谐振处无穷大增益,能够对交流输入信号进行无静差跟踪调节特性,提出一种基于PR控制器对谐波电流进行抑制的改进型矢量控制策略。基于谐波基下的双三相永磁同步电机数学模型和谐波电流分析基础,在z1-z2子平面引入2个PR控制器对定子电流的5、7次谐波进行控制,并进行了软件仿真与实验验证。结果表明,在z1-z2子平面引入PR控制器能有效地改善定子电流波形,谐波电流含量下降50%以上,能较好地降低电机损耗与逆变器容量,提高电机运行性能。     

基于耦合场的永磁电机损耗及温升分析

高密度永磁同步电机因其损耗及转子散热条件恶劣,会造成内部永磁体由于高温而产生高温退磁风险。本文利用电磁场与热场进行双向耦合仿真,分析永磁同步电机温升。在电磁仿真中进行永磁电机损耗计算,考虑定子电流谐波对电机损耗所产生的影响,以及考虑温度对电机材料属性的影响。将损耗输入温升计算模型,并不断进行电磁仿真的材料温度特性更新及损耗更新,从而得到更为准确的电机温升分布。并研究了利用流体流场因素对电机关键部位温升所产生的影响。通过样机进行温升实验,验证了仿真模型的准确性,为永磁同步电机的温升计算提供了依据。     

PWM开关频率对转子损耗和温升影响探究

永磁电机转子损耗及温升分析对电机性能与安全非常重要。永磁电机转子损耗主要是由谐波引起的,且脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)供电下输入电流谐波对损耗影响很大。因此,探究PWM供电对转子损耗和温升影响探究可以为PWM开关频率的选取提供重要参考。为实现上述目的,首先建立了场-路耦合的电机有限元仿真模型,获取了不同开关频率下转子损耗的变化情况。然后,建立了磁-热耦合仿真模型,获取了多个工作点不同开关频率下的转子温升,最终结合电机性能需求和逆变器成本选择合适的开关频率,可以为电机及其控制器设计提供重要参考。     

谐波分量对异步电机性能的影响及抑制方法

晶闸管逆变器作为异步电动机的供电电源时,输出的电压和电流中含有丰富的谐波,对异步电机的运行性能会产生显著影响,主要表现在功率损耗增加、效率和功率因数下降等,传统脉宽调制(PWM)方法虽然可以消除低次谐波的影响,但整体效果不理想。通过谐波对定子及其他电机参数影响的具体分析,提出了以电机总损耗最小为目标函数,并根据各种损耗系数随频率变化情况与逆变器晶闸管开关元件切换次数的关系,确定载波比,对传统PWM进行优化策略设计方案。试验结果表明,优化后的方案可有效抑制谐波影响。     

变频器供电载波引起的非晶电机谐波损耗的实验研究

为了研究变频器供电情况下,由载波引起的非晶合金永磁电机的谐波损耗特性,测试了非晶合金电机和同结构参数的硅钢片电机的谐波损耗,并基于实测数据利用有限元对比分析了两台电机谐波损耗的分布规律。结果显示,变频器供电情况下非晶合金电机定子绕组中由载波引起的谐波电流含量高于硅钢片电机,由此导致非晶合金电机谐波损耗高于硅钢片电机,该谐波损耗的主要分量为永磁体中的涡流损耗,采用永磁体轴向分段手段可有效抑制非晶合金电机的谐波损耗。     

新型绕组开路型永磁电机共模电压抑制技术研究

针对电动汽车用新型绕组开路型永磁电机调速系统中,由于共模电压而引起的零序电流和峰值电流等问题,提出一种基于矢量控制的新型绕组开路型永磁电机共模电压(common-mode voltage,CMV)抑制技术。将一台永磁同步电机定子绕组两端开路,再分别连接一个标准的两电平电压型逆变器,这样可以等效为三电平逆变器驱动;通过选择基本电压空间矢量来抑制由双逆变器结构产生的共模电压,从而消除定子电流中的零序电流分量;最后通过仿真和实验验证该方案的可行性;结果表明,借助于永磁电机的绕组开路结构,该新型绕组开路型电机调速系统可有效地抑制共模电压,不仅定子电流纹波含量小,转速稳定,而且具有良好的稳态运行性能。     

分数槽集中绕组高效内置式永磁同步电机研究

采用高绕组系数的槽极配合方案,是高效永磁同步电机设计的重要技术方案。使用有限元软件仿真分析,针对分数槽集中绕组高效永磁同步电机进行研究,包括12槽8极、12槽10极星型绕组、12槽10极星-三角混合绕组。分析了影响电机效率的绕组系数、绕组磁动势谐波、转子涡流损耗要素,仿真计算电机效率,并实测电机效率,验证了12槽10极星-三角混合绕组电机效率提升明显。通过仿真计算定子模态来避免与低阶径向电磁力发生共振,并实测电机振动,得到12槽10极星-三角混合绕组电机振动变大的结果。综合对比电机效率和电机振动,为高效永磁电机的开发设计方案选择提供参考依据。     

高频轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗三维解析模型

针对现有二维解析模型在计算轴向磁通永磁电机永磁体涡流损耗存在精度不足的问题,该文提出一种能够精确计算该类电机永磁体涡流损耗的新型三维解析模型。该模型利用精确子域法和电阻网络模型,能够同时考虑定子开槽、定子谐波电流、涡流反作用和涡流三维分布的影响。利用有限元法验证了精确子域模型计算得到的空载和电枢磁场分布,并在理想空载下,验证了解析模型永磁体表面涡流密度和永磁体涡流损耗值,分析电机在高频运行下涡流反作用对永磁体涡流损耗的影响。最后,对1台7kW、4000rpm的轴向磁通永磁电机进行空载脉宽调制(pulsewidthmodulated,PWM)电压供电实验和空载正弦波电压供电实验,得到因PWM谐波电流引起的永磁体涡流损耗,将实验结果,有限元结果与解析结果作对比,验证了该解析模型的正确性。     

不同绕组型式双Y移30°六相永磁同步电机建模与谐波电流优化控制

基于空间矢量解耦方法,建立绕组正弦和非正弦分布的双Y移30°六相永磁同步电机旋转坐标系下数学模型;为了减小谐波子空间电流,研究了谐波电流闭环控制和谐波电压开环控制两种控制方法,得出两种控制方式下相电流FFT分析结果。仿真和实验结果表明:谐波电流闭环控制方式对绕组正弦和非正弦两种电机具有更好的电流谐波控制效果,可以减小系统损耗,该方法更适合于双Y移30°六相永磁同步电机的控制。