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。     

车用永磁同步电机定子铁耗的分析与优化

依据新欧洲驾驶循环工况,以减小电机中高速运行区间的铁耗为目标,对车用永磁同步电机（PMSM）的铁耗进行分析和优化。以一台额定功率35 kW的新能源汽车驱动用PMSM为对象,从电机成本和加工难度角度出发选择转子开辅助槽优化电机的铁耗;对比分析车用电机不同工况下的气隙磁密谐波含量,结合定子特征点处磁密轨迹的观测,分析高速磁场畸变对铁耗的影响;通过转子开辅助槽设计减小气隙磁密谐波,降低涡流损耗,优化齿顶铁损密度;优化后电机铁损最大可减小16%。通过负载试验验证了理论分析的正确性。     

基于三维时步有限元的永磁体涡流损耗分析

钕铁硼永磁材料具有较大的电导率,即使电机额定转速较低时,依然能在电机永磁体中产生较大的涡流损耗,影响电机性能,因此有必要对低速大转矩永磁同步电机永磁体涡流损耗进行研究。设计5台不同极槽配合的低速大转矩表贴式永磁同步电机,采用三维时步有限元法计算5台电机的永磁体涡流损耗。针对不同极槽配合电机气隙磁密分数次谐波含量对永磁体涡流损耗的影响进行分析。结果显示,分数次谐波含量越大永磁体涡流损耗越大。     

永磁轮毂电机磁场解析建模

利用谐波建模法提出一种可以在永磁电机研究中考虑导磁材料磁导率为有限值的永磁轮毂电机解析模型,分析了电机的电磁性能。在二维极坐标系下,将电机划分为永磁体、气隙、定子齿/槽、定子齿尖/槽开口四个求解域。在各求解域建立泊松方程和拉普拉斯方程,并联立边界条件求得通解中的谐波系数,从而得出各求解域矢量磁位解析表达式。计算了电机气隙磁感应强度、空载反电动势、输出转矩,通过有限元计算和样机实验验证了解析模型的正确性,并利用该模型研究了极弧系数和槽开口宽度对输出转矩的影响规律。     

表贴式永磁发电机永磁体涡流损耗研究

永磁体涡流损耗是保证永磁同步发电机温升限度和永磁体性能的重要指标。通过设计一台表贴式外转子永磁同步发电机,利用有限元法研究了极槽配合、气隙长度、槽口宽度和极弧系数对发电机空载和负载时永磁体涡流损耗的影响,特别分析了定子电流谐波含量对永磁体涡流损耗的影响,对减小永磁体涡流损耗有一定的工程指导意义。     

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。     

表贴式轴向磁通电机梯形削极分段结构研究

采用多极少槽结构和分数槽集中绕组可有效提高轴向磁通永磁(AFPM)电机的转矩密度,但磁动势谐波含量较大、频率较高,会引起永磁体涡流损耗增大和温度升高。通过优化表贴式轴向磁通永磁电机的永磁体结构可有效降低永磁体涡流损耗并抑制转矩波动,因此提出梯形削极分段结构。首先,基于精确子域法分别建立不同永磁体结构的解析模型。其次,通过解析模型和三维有限元模型对不同永磁体结构的气隙磁密、输出转矩和涡流损耗进行分析对比。然后,通过研究永磁体分段对永磁体涡流损耗的影响,确定梯形削极分段结构的参数。最后,制造一台样机并进行实验,实验结果证明,梯形削极分段结构可有效降低永磁体涡流损耗并且改善轴向磁通永磁电机输出性能。     

次谐波降低对分数槽集中绕组电机转子损耗的影响

研究了一种新型的绕组结构用于分数槽集中绕组永磁电机,该结构可以有效地降低绕组磁动势谐波,从而降低电机铁耗和永磁体涡流损耗。不同转子结构的电机,谐波的降低对转子损耗的影响程度是不同的。在考虑电机转子结构的情况下,将该绕组结构应用于不同结构的电机,分析谐波对转子损耗的影响。研究表明,对有利于谐波磁力线通过的结构,采用新型绕组结构,铁耗降低明显。永磁体涡流损耗降低程度不随转子结构的影响而变化。     

大功率电动摩托车驱动用高功率密度永磁同步电机损耗分析与计算

高功率密度永磁同步电机由于其体积小、功率密度大、效率高、调速范围宽等诸多优点,特别适合作为大功率电动摩托车驱动电机。然而,大功率电动摩托车工况多变,作为大功率电动摩托车驱动电机,电机的负载以及转速变化剧烈,电机的损耗情况复杂。针对不同负载以及转速下的电机的电磁损耗计算显得尤为重要。本文以一台大功率电动摩托车用高密度永磁同步电机为例,基于对损耗的理论分析,利用时步有限元法,对不同负载下的电机铜耗,不同供电情况下的定转子铁耗以及永磁体涡流损耗进行了详细分析与计算。研究了变频器产生的时间谐波对铁耗以及永磁体涡流损耗的影响。随着转速的增加,时间谐波产生的附加铁耗占总铁耗的比例逐渐增大,电机高速运行时,附加铁耗是总铁耗的主要部分。时间谐波是产生永磁体涡流损耗的绝对因素。随着转速增加,附加涡流损耗的比例逐渐减小。本文的研究对高密度电机的效率分析、散热设计以及损耗优化提供了理论依据。     

高速永磁电机的转子涡流损耗分析

在高速永磁电机中,转子涡流损耗会使转子温度升高,影响电机效率等性能,甚至导致永磁体过热退磁.针对高速永磁电机中的转子涡流损耗问题,进行了解析分析和有限元计算,分析了产生转子涡流损耗的谐波来源,研究了不同定转子结构电机的转子涡流损耗,分析了定子槽数、槽口宽度、气隙长度、屏蔽层、定子齿开辅助槽对转子涡流损耗的影响.结果表明,增加定子槽数、减小槽口宽度、增加气隙长度可以减小转子涡流损耗;在护套和永磁体中间加一层高电导率屏蔽层能有效减小永磁体的涡流,且选择合适的屏蔽层厚度能够进一步减小转子涡流损耗;提出了使用合适宽度、深度、角度和槽型的辅助槽来减小转子涡流损耗、帮助电机散热的新方法.对高速永磁电机的研制具有重要的理论研究和工程应用价值.     

内置式永磁同步电机磁体涡流损耗研究

采用气隙磁位分布函数作为边界条件取代定子磁场,建立计及磁路饱和及齿槽效应影响的永磁同步电机磁体涡流损耗计算的二维有限元模型。对内置式钕铁硼永磁同步电机各次谐波磁场引起的永磁体涡流损耗进行分析计算。结果显示:磁路饱和对涡流损耗的影响很大,各次谐波中具有一阶齿谐波特征次数的谐波磁场是引起永磁体涡流损耗的主要因素。     

永磁体分割降低永磁电机涡流损耗的分析和应用

永磁体分割可有效降低表贴式永磁同步电机(SPMSM)永磁体涡流损耗,且对电机性能影响最小。分析了永磁体轴向分割和圆周向分割与永磁体涡流损耗的关系,推导了SPMSM永磁体涡流损耗解析解。影响永磁体涡流损耗的因素,包括气隙磁密、齿谐波频率(转速和槽数)、齿距、永磁体电阻率和永磁体磁导率等。根据分析结果可知,永磁体圆周向分割对降低永磁体涡流损耗起主要作用,并通过试验验证了解析解的准确性。     

轴向磁场电机永磁体空载涡流损耗减小方法对比研究

减少轴向磁场电机永磁体空载涡流损耗的方法主要有：减小定子槽开口宽度、增大气隙长度、永磁体分块、使用屏蔽层和磁性槽楔等。基于轴向磁场电机的简化二维分析模型,分析了减小定子槽开口宽度和增大气隙长度、使用屏蔽层和磁性槽楔降低空载涡流损耗的效果。通过三维电磁场仿真,研究了永磁体不同分块方式对减少空载涡流损耗的效果。研究结果表明,减小定子槽开口宽度的效果最佳;虽然增加气隙长度可以显著减小涡流损耗,但永磁体用量迅速增加;永磁体分块减小涡流效果较好,且周向分块方式最好;屏蔽层起反作用;使用分段磁性槽楔效果比减小定子槽开口宽度稍微差一点,但加工难度要低些。     

考虑铁心饱和的内置式永磁同步电机气隙磁场解析计算

准确分析电机结构以及磁饱和等因素对气隙磁场分布的影响是永磁电机设计、优化的关键。以分数槽集中绕组内置式永磁同步电机(FSCW-IPMSM)为研究对象,根据磁路分析方法和FSCW的分布规律,分别得到了考虑转子磁桥漏磁的空载永磁磁场解析模型和电枢反应磁场的解析表达式。考虑到定子齿槽结构以及转子内部永磁体分布,利用相对气隙磁导,将定子开槽和转子凸极对气隙磁场的影响考虑在内。重点结合定子铁心材料的B-H磁化曲线、定子铁心局部磁饱和特性引入铁心等效磁阻与动态磁导率来考虑定子铁心磁饱和对负载气隙磁场的影响。最后,有限元仿真和样机试验结果验证了理论分析的准确性,为该类电机的电磁设计和性能分析提供了理论基础。     

轴向磁通永磁电机的设计与优化

本文根据一款家用乘用车的结构和运行性能需求,设计出了额定功率95kW,峰值功率190kW的轴向磁通永磁电机。电机采用内单定子外双转子结构,定子铁心采用分块式设计形式。基于永磁电机设计理论,总结归纳轴向磁通永磁电机的初始设计流程,并对其电磁性能进行初始评估。采用有限元法建立电磁分析三维模型,对采用多种转子结构电机的电磁转矩、齿槽转矩、转矩脉动及永磁体涡流损耗等进行计算和分析。文中所归纳的电动汽车驱动用轴向磁通永磁电机设计流程及降低齿槽转矩、转矩脉动和永磁体涡流措施的效果对比,为此类电机的设计及优化提供借鉴经验。     

轴向磁通永磁同步电机气隙磁场解析计算

针对双定子单转子表面嵌入式轴向磁通永磁同步电机的气隙磁场进行了解析研究。建立了气隙磁场的解析模型,将轴向磁通电机等效成直线电机并建立了等效面电流模型来求解空载工况下的气隙磁场。根据电磁场理论中的唯一性定理,给出了满足泊松方程的边界条件,并将分离变量法应用于泊松方程的解析解来计算电机三相定子电枢绕组作用下的气隙磁场。通过将空载下的气隙磁场与电枢绕组作用下的磁场叠加来预测电机负载工况下的气隙磁场。最后用三维有限元仿真计算结果与解析模型的计算结果相比较,证明了解析法可以有效地计算轴向磁通电机的气隙磁场,为轴向磁通永磁同步电机的解析分析和优化设计提供了基本手段。     

考虑旋转磁通的PMSM铁心损耗数值计算

为了准确计算交流永磁同步电机(PMSM)铁心损耗,采用二维有限元法对PMSM定子与磁极区域电磁场进行了分析研究,阐述了定子铁心不同区域磁场的变化规律及磁极区域涡流场的分布规律.在此基础上,借助谐波分析的方法,综合考虑电机中交变与旋转磁场的影响,给出了一种较准确求解定子铁心损耗和PMSM转子涡流损耗的计算方法,并与传统的计算方法进行了比较.结果表明,考虑旋转磁场及谐波磁通密度影响时的定子铁心损耗计算值与传统的仅考虑交变基波磁通密度时的损耗计算值相比有显著增加,更接近于实际测量值,磁极涡流损耗值与定子槽口大小密切相关,占电机总损耗的比重较大,是不可忽略的.     

基于SVPWM的时间谐波对永磁电机损耗的影响

针对在变频器驱动永磁电机因时间谐波引起的附加谐波损耗大小及分布问题,对基于SVPWM变频器电路输出的电流波形,采用傅里叶计算方法,分析不同变频器参数下的各次电流时间谐波分布规律及波形畸变程度,与SPWM对比发现SVPWM优化谐波程度高,且直流母线电压利用率较优。以一台5kW、3000r/min表面式永磁同步电动机为例,运用场路耦合联合仿真方法,研究附加谐波损耗在永磁电机中的分布特性,计算电机定子铁心各区域的磁通密度变化情况,附加谐波损耗以永磁体涡流损耗为主,其次集中于定子齿顶。参考电机损耗计算的国家标准搭建样机试验平台,通过有限元计算与试验结果的对比分析,校核附加谐波损耗计算结果。     

内置混合式可控磁通永磁同步电机有限元分析

提出一种转子内同时放置钕铁硼和铝镍钴两种永磁体的内置混合式转子磁路结构的可控磁通永磁同步电机。它充分利用钕铁硼剩磁密度和矫顽力都很高,铝镍钴剩磁密度很高而矫顽力很低的特点,使两种永磁体在磁性能上合理配合。通过控制直轴电流矢量脉冲的幅值和方向来控制铝镍钴的磁化强弱和方向,使气隙永磁磁通受控,实现宽范围弱磁调速。介绍了电机工作原理,进行了电磁场有限元分析,给出了不同磁化状况下电机磁场分布图及气隙磁场曲线,指出了增加交轴磁阻的必要性,总结出永磁体尺寸对电机弱磁倍数影响的变化规律。     

永磁同步电机转子涡流损耗优化及温升分析

为解决永磁同步电机转子涡流损耗引起的转子温度高、永磁钢退磁等问题,建立转子涡流损耗解析表达式,分析影响参数,并以3相8极36槽V型IPMSM为例,研究定子槽口宽度、气隙长度、转子偏心距、定子斜槽角度等参数对转子涡流损耗的影响规律,完成最优参数匹配。研究结果表明,优化后的转子结构能够有效削弱电机主气隙磁密的高次谐波,从而减少涡流损耗、降低转子温度,提高电机输出性能。