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。     

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。     

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。     

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。     

计及高次谐波影响的高密度永磁同步电机铁耗计算

在经典Bertotti三项式常系数铁耗计算模型的基础上,基于谐波分析原理,引入涡流损耗、磁滞损耗和附加损耗补偿系数,提出了一种计及高次谐波影响的高密度永磁同步电机(PMSM)铁耗计算模型。该模型中的补偿系数均随磁密幅值、频率和畸变率变化,能较好地反映基波及谐波磁场对铁耗的影响。为了验证该模型的有效性及准确性,以48槽/8极内转子和36槽/48极外转子两台PMSM为研究对象,将模型的计算值、有限元仿真结果和试验数据进行对比分析。结果表明,铁耗计算模型有较高的精度,特别适用于磁密幅值与频率变化范围大的场合。     

采用铸铝转子和铸铜转子时鼠笼式异步电机的损耗特性对比

在超高效电机的研制中,采用铸铜转子是一种提高电机效率的有效方法.为了对比分析铸铝转子与铸铜转子电机的内部损耗特性,本文利用场一路耦合时步有限元法.以1台5.5 kw异步电机为例,计算分析采用铸铝转子和铸铜转子时电机各项损耗及效率的变化特点.结果发现:空载时,2种转子的各项损耗并无太大差别:满载时,定子铜耗和铁耗差别不大,铜转子基波铜耗大幅降低,但谐波铜耗略微增加,最终使得电机总损耗降低约60W.效率增加约1%.     

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.     

齿谐波励磁的混合励磁发电机温度场分析

为了分析齿谐波励磁的混合励磁永磁同步发电机中齿谐波磁场的利用对其温升的影响,推导了该类发电机二维温度场计算模型,提出采用Maxwell和Fluent软件相结合的方法对发电机温度场进行计算,应用Maxwell软件建立发电机损耗计算模型,准确计算其定、转子铁耗及永磁体涡流损耗,并结合定、转子铜损耗及机械损耗,以此作为发电机热源导入Fluent软件对其进行热分析,得到了定、转子温度分布云图,可以清晰地看出发电机截面的温度分布情况。仿真结果表明:发电机内温度主要集中在定转子铁心内部和绕组处,与实际情况吻合,验证了温度场计算方法的正确性。     

异步电动机的空载铁耗

中型异步电动机空载铁耗在电机总损耗中所占的比例约为20～40％,铁耗的大小直接影响到电机的效率和温升。空载铁耗由基本铁耗和附加铁耗组成。基本铁耗是指主磁通在定子齿和轭中引起的磁滞损耗和涡流损耗。主磁通相对于转子的变化频率很低f_2=Sf_1(转差率S≈1～3％,f_1=50周/秒),近似于不变的直流磁通。因此主磁通在转子铁心中引起的损耗可忽略不计。空载附加铁耗是指齿槽引起的谐波磁通在定、转子铁心中产生的损耗,由于谐波磁通在铁心表面和齿体内部变化规律的不同,又可分为谐波磁通的“横振荡”和“纵振荡”。“横振荡”在定子铁心内圆表面和转     

高速永磁爪极电机铁耗与空气摩擦损耗计算

高速电机由于采用高频电源供电,铁心损耗较常规电机突出,且高速旋转引起的空气摩擦损耗亦非常严重。此外爪极电机磁路结构复杂且其磁通呈三维分布,因此需要考虑三维磁场、高频谐波和高速旋转等因素,针对该种高速电机损耗计算模型进行研究。首先通过三维有限元电磁仿真软件对该种电机的磁场分布特点进行分析;然后采用三维正交交变磁化近似等效旋转磁化建立铁耗计算模型,并考虑高频谐波对其影响,通过与有限元软件计算结果对比,验证了计算模型的准确性;此外针对转子转速、转子表面光滑度、轴向风速等因素对空气摩擦损耗的影响进行分析;最后通过实验验证了铁心损耗和空气摩擦损耗计算方法的准确性。     

变频器参数对永磁同步发电机定子损耗的影响

为了研究调制比和载波比等PWM变频器参数对直驱型风力永磁同步发电机定子谐波损耗的影响,在考虑变频器谐波负载作用的情况下,采用二维场路耦合时步有限元法,建立永磁同步发电机电磁场计算的数学模型,进而给出定子谐波铁耗和铜耗的数值计算方法,计算结果与解析法的对比验证了算法的正确性.结果表明,当载波比相同时,随着调制比的减小,定子铁耗增加,定子铜耗减小;而当调制比相同时,随着载波比的减小,定子铁耗和铜耗均有所增加.研究结果对风力永磁同步发电机的设计与控制具有参考价值.     

磁性槽楔对永磁电机转子损耗及温度场影响

针对实心转子高压永磁电机定子铁心开槽会导致气隙磁导不均匀,气隙中谐波磁场引起电机转子温度升高,影响永磁体的电磁性能的问题,以一台315 k W,6 k V实心转子高压永磁电机为例,建立了样机的二维电磁场时步有限元模型及三维全域流体与固体耦合传热数学模型,给出了求解域及边界条件,通过求解计算模型,将计算数据与实验数据进行了对比,验证了所建模型的正确性。在此基础上研究了槽楔相对磁导率分别为3、5、7、9时对转子表面涡流损耗的影响,分析了磁性槽楔相对磁导率为不同值时电机转子及定子各部分的温度分布,计算结果表明定子槽楔相对磁导率数值的增加,电机的起动转矩降低,转子铁心涡流损耗逐渐减小,电机定子各部分温度先减小后趋于稳定。     

Efficiency Optimization of a 100-W 500 000-r/min Permanent-Magnet Machine Including Air-Friction Losses

This paper proposes a method for the efficiency optimization of ultrahigh-speed permanent-magnet machines. Analytical methods are applied for the modeling of the machine that is equipped with a diametrically magnetized rotor and a slotless stator. The outer dimensions of the machine are design constraints, and the internal dimensioning is optimized for minimum losses. The air-friction losses are taken into account in addition to the usual iron, copper, and eddy-current losses. Laminated silicon-iron or laminated amorphous iron is used as the stator core material. The results show that air-friction losses influence the optimum design considerably, leading to a small rotor diameter at high speeds. The loss minimization and the amorphous iron core make it possible to reduce the calculated losses by 63% as compared to a machine design not considering air-friction losses. The resulting efficiency is 95% for a 100-W 500 000-r/min machine excluding bearing losses. Experimental results are shown to illustrate the validity of the method.     

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.     

无刷双馈电机的效率分析

无刷双馈电机是一种新型的感应电机,可以降低调速系统的容量,对电网的谐波污染小,因而具有很好的发展前景.从无刷双馈电机的原理出发,分析了定子和转子的损耗,进一步对定子绕组极数的选择、定子绕组的设计形式、转子绕组极数的选择以及转子绕组的设计等方面进行了详尽的说明和分析,总结出提高该类电机效率的方法和途径.     

等距笼型转子无刷双馈电机的有限元分析

针对笼型无刷双馈电机的效率较低的问题进行研究,电机效率与转子磁场极数转换效率和转子漏阻抗参数相关,对转子结构进行优化设计是提高电机性能的根本途径。在分析现有笼型转子的特性基础上,提出等距笼型的新转子结构。新转子具有公共端环和独立叠式转子导体回路,每个转子导体回路的节距相等。利用ANSYS软件对不同笼型转子结构的磁场进行有限元分析,计算出转子磁动势谐波含量和转子漏阻抗参数。结果表明,新转子结构无刷双馈电机的转子电阻和漏电抗小,与定子功率绕组和控制绕组极数相对应的转子谐波磁场含量高,其他高次谐波磁场含量低。     

Modeling of iron losses of permanent-magnet synchronous motors

Permanent-magnet (PM) motors offer potential energy savings as compared with induction motors because of the virtual elimination of rotor loss and the reduction of stator loss from operation near unity power factor. In PM machines, iron losses form a significant fraction of the total loss partly due to the nonsinusoidal flux density distribution. Design optimization therefore requires good means of predicting these iron losses. Finite-element analysis can be employed but this approach is cumbersome and costly when used in the many iterations needed in optimizing the design. This paper presents a set of improved approximate models for the prediction of iron loss. They can be used in design optimization programs and, since they are directly related to machine dimensions and material properties, they also provide quick insight into the effects of design changes. A time-stepped finite-element method is employed to evaluate the iron losses in a range of typical PM machines and the results are used to evaluate the adequacy of the models. The predictions of overall iron losses are then compared with measurements made on two PM motors.     

改变定子铁芯面积对分数槽集中绕组永磁同步电机铁耗的影响

为研究改变定子铁芯面积对分数槽集中绕组永磁同步电机中铁耗的影响,针对定子槽提出了两组研究方案.在8极9槽永磁电机的基础上使用有限元软件,搭建了保证定子槽数不变仅增加定子槽宽整数倍和不改变每个定子槽尺寸仅增加定子槽数的两组电机.介绍了铁耗计算原理并通过仿真对比了两组电机谐波含量、定子轭部磁通密度和在不同转速下的铁耗与永磁...     

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。     

Stray load loss analysis of induction motor-comparison of measurement due to IEEE standard 112 and direct calculation by finite-element method

The purpose of this paper is to specify the main components of the stray load loss of induction motors from both results of measurement and analysis. The IEEE standard 112 Method B is applied to the cage induction motor for the measurement of the stray load loss. On the other hand, the losses generated at the stator core, the rotor core, and the rotor cage are calculated directly by the finite-element method considering the magnetic saturation and the harmonic fields, which vary due to the load condition. The measured and the calculated torque, losses, and efficiency agree well. It is clarified that the main parts of the stray load loss in the case of the analyzed motor are the increase of harmonic losses due to load, which are the harmonic Joule losses of the rotor cage and the harmonic core losses of the stator and the rotor. The relationships between the losses separated by the measurement and the losses calculated directly by the finite-element method are also clarified.