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。     

基于CE-FEA和小信号分析快速计算逆变器供电下聚磁式场调制电机中永磁体涡流损耗

提出一种结合高效有限元法、频域小信号分析和矩形永磁体涡流损耗解析计算模型,快速计算电压源型逆变器供电下聚磁式场调制永磁电机中永磁体涡流损耗的方法。基于高效有限元法,仅需进行一步静态有限元计算即可构建出永磁体中主要低频交变磁通密度分量。基于小信号分析,仅需进行四步时谐有限元计算即可获得脉宽调制电压谐波与永磁体中高频交变磁通密度之间的关系。进而结合解析计算模型实现永磁体涡流损耗的快速计算。所提方法考虑了轴向分段和高频涡流反应对永磁体涡流损耗的影响。与传统时步有限元法相比,所提方法的低频谐波损耗计算相对误差小于4%,脉宽调制谐波损耗计算相对误差小于8.4%,计算速度提高了数百倍以上。     

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。     

基于相似原理的脉宽调制电压激励下电机永磁体涡流损耗频域压缩计算方法

提出一种基于相似原理的脉宽调制(PWM)电压激励下电机永磁体涡流损耗频域压缩计算方法,将PWM高频谐波涡流问题变换为降频涡流问题,从而减少时步有限元分析的计算步数并缩短计算时间。在以往相似方法基础上,进一步考虑了铁心磁饱和,并保持了基波电压、频率以及电机转速不变。以相似问题和原问题中磁场高频成分具有相同透入深度为条件,通过理论解析法分析两者在电机电流、电机电磁场和永磁体涡流损耗上的相似关系。以一台定子齿部存在磁饱和的表贴式永磁电机为例,将相似方法与传统时步有限元法进行比较验证,结果表明定子电流高频谐波相差不大于6.6%,在相似比为4时,永磁体涡流损耗相差-4.75%,计算用时仅为传统有限元法的1/5。通过测量线圈中放置金属块后线圈的阻抗变化以及测量电机永磁体的温升,分别对相似方法及其涡流损耗计算结果进行了物理验证。     

考虑涡流反作用的永磁体涡流损耗解析计算

推导了一种新型表面式无金属护套永磁同步电机永磁体涡流损耗解析模型,该模型同时考虑涡流反作用、开槽引起的磁导谐波和涡流分布不均匀三种因素,可以计算任意定子电流波形的表面式无金属护套永磁同步电机的永磁体涡流损耗,并能分析任意次数时空谐波产生的永磁体涡流损耗。采用所推导的解析模型研究影响永磁体涡流损耗的因素,包括调制比、载波比和气隙长度。调制比和载波比的增加减小了电流时间谐波幅值二次方和,因此降低了永磁体涡流损耗;气隙长度的增加,由于削弱了谐波电枢反应而降低了永磁体涡流损耗。通过对电机的实验分析和有限元仿真,验证了解析计算的正确性和规律的适用性。     

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。     

PWM逆变器下永磁同步电动机中永磁体的三维涡流分析

对于永磁同步电动机中永磁体的发热及温升,快速准确地分析永磁体的涡流损耗是其关键问题所在.用场路紧密耦合方法,建立了考虑永磁体分割的三维有限元模型,对一台在脉宽调制(PWM)逆变器驱动下的30 kW/50 Hz表贴式永磁同步电动机进行仿真研究,分析了其气隙旋转磁场、电枢电流,以及在不同载波频率下永磁体的涡流损耗.研究表明:在载波谐波作用下,永磁体的涡流损耗比在正弦电压驱动下大幅增加,并将引起更大的温升.输入电流波形、转矩和功率平衡关系等试验结果表明,该分析方法能准确计算出永磁体的涡流损耗,为下一步的温升研究奠定了基础.     

SVPWM供电方式下永磁体涡流损耗研究

准确计算永磁体涡流损耗是永磁同步电机设计的关键问题之一。采用解析法分析了不同电流谐波产生的永磁体涡流损耗随轴向分段数的变化趋势。建立SVPWM控制系统仿真模型和3D有限元模型,对一台400k W表贴式永磁同步电动机的永磁体涡流损耗进行了研究。研究结果表明:随着轴向分段数的增加,由开关频率等高次谐波电流产生的永磁体涡流损耗呈现先增大后减小的变化趋势;对于定子开槽引起的永磁体涡流损耗,增加轴向分段对其具有抑制作用;对于SVPWM控制方式,应尽量减小轴向分段数以降低永磁体涡流损耗。     

基于dSPACE的永磁同步电机低振动噪声控制策略

为降低变频器供电引起的永磁同步电机(PMSM)电磁振动噪声,首先理论分析了变频器引入的PMSM振动噪声源,然后利用MATLAB/Simulink建立仿真模型,通过d SPACE进行编译并控制一台PMSM,比较了随机开关频率调制技术和死区补偿技术降低振动噪声的优缺点,提出一种混合随机开关频率-死区补偿技术。试验结果表明,此方法综合随机开关频率调制技术和死区补偿技术的优点,能降低逆变器引入电流谐波引起的中低频振动噪声和逆变器开关频率与电流谐波相互作用引起的高频振动噪声。     

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%。     

定子无磁轭模块化轴向永磁电机磁极表面开槽分析

在永磁电机设计中,永磁体(PM)作为励磁磁源,直接影响电机性能。由于定子电流时间谐波和气隙磁场中高次空间谐波的存在,永磁体内产生的涡流损耗不容忽视,极易导致永磁体过热或不可恢复性退磁。本文提出一种减小定子无磁轭模块化轴向永磁电机永磁体涡流损耗的方法,以一台10极、12槽、20k W的轴向永磁电机为例,通过对永磁体表面开槽深度、开槽方式及开槽数目的研究,利用解析法和三维有限元仿真分析不同开槽结构的永磁体涡流损耗,推导出永磁体涡流损耗等解析式。并对比带额定负载时气隙磁通密度,合理选择永磁体表面开槽方式及开槽数目。     

计及永磁体涡流损耗分布特性的实时热计算方法

针对提高永磁电机温升计算准确性的问题,提出一种计及永磁体涡流损耗分布特性的实时热计算方法。依据温度对电机内各材料属性有所影响,且永磁体涡流损耗有其特有的分布特性的事实,提出并采用计及永磁体涡流损耗分布特性的实时热计算方法,以一台10 k W变频驱动永磁同步电动机为例进行实例计算,与普通未计及永磁体涡流损耗分布特性、没有使用实时热计算方法的温升计算方法对比,经在线温升测量,验证了计及永磁体涡流损耗分布特性的实时热计算方法能有效提高温升计算的准确性,可使计算结果与实验结果之间的误差缩小到0.5%之内。     

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。     

高速永磁电机转子涡流损耗解析计算

高速永磁同步电机采用变频器供电含有大量谐波、频率高等特点导致转子涡流损耗升高,从而使电机温度上升,给散热带来困难,影响电机效率、永磁体性能等指标。针对表贴式高速永磁电机,推导转子涡流损耗的解析计算,该方法在极坐标系下建立物理模型,考虑气隙长度、护套、永磁体等子域,并为了提高模型的计算精度,考虑了涡流反应影响和定子的开槽效应。以一台15kW表贴式高速永磁电机为例,采用正弦波供电和PWM供电两种供电方式,分析气隙长度、槽开口宽度以及护套材料对转子涡流损耗的影响。将解析法的计算结果和有限元法结果进行比较,验证解析方法的准确性。     

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。     

电枢磁动势谐波对转子涡流损耗的影响分析

永磁电机多采用变频器供电,变频器输出的电流中除包含基波电流外还存在谐波电流,由其产生的电枢磁动势空间谐波会在转子中产生涡流损耗。基于对各次电枢磁动势空间谐波幅值及其相对于转子交变频率的详细分析,提出涡流损耗强度的概念,用于评估不同的电枢磁动势空间谐波对转子涡流损耗的影响程度。对采用整数槽和分数槽绕组的永磁电机转子涡流损耗做了解析对比和有限元分析,证明了利用涡流损耗强度评估电枢磁动势谐波对转子涡流损耗影响的有效性。     

轴向磁场永磁同步电机转子涡流损耗研究

为解决轴向磁场永磁同步电机温度过高导致电机运行性能降低的问题,针对电机转子进行了深入研究。先利用Maxwell三维电磁场有限元分析软件建立电机有限元模型,仿真电机磁场分布和气隙磁密波形,并计算平均涡流损耗;采用铜层屏蔽减小转子涡流损耗,并仿真出转子涡流损耗随铜层厚度变化情况。     

基于混合有限元解析法的永磁同步电机永磁体电涡流损耗估计

永磁同步电机永磁体受限于热约束,无法在温度较高的环境下运行,故需减少永磁体上的电涡流损耗,从而降低永磁体上的温度。针对使用有限元法对永磁体电涡流损耗估算时间较长,以及使用解析法估算时难以达到与有限元法相同的精度,采用混合有限元解析法估算永磁体上的电涡流损耗。结合电涡流的反作用,在模拟电机旋转时,无需重复划分三角形区域;使用MATLAB软件仿真模拟,将混合有限元解析法与Galerkin有限元法对比,减少三角形区域划分的个数。由此验证了永磁体上电涡流损耗符合端部效应以及集肤效应的特征,在保证精度的同时,减少了仿真的时间。     

储能飞轮用大功率高速永磁同步电机电磁设计

储能飞轮用高速电机的工作状态包括电动机、发电机及空载三种。提高储能飞轮的能量转换效率、降低电机在各种运行状态的损耗成为其电磁设计的主要任务。从工程应用的角度,对储能飞轮用大功率高速永磁同步电机的绕组损耗、铁心损耗及涡流损耗进行了分析,重点分析了定转子间隙对转子构件涡流损耗的影响,同时提出了一种阶梯式转子永磁体结构,可满足永磁同步电机(PMSM)对空载反电动势的低谐波要求,并提出了转子护套材料的选取原则。最后通过一个算例介绍了电机的设计分析及性能参数的计算。     

Loss Investigation of Interior Permanent-Magnet Motors Considering Carrier Harmonics and Magnet Eddy Currents

In this paper, we investigate losses of interior permanent-magnet motors driven by pulsewidth-modulated inverters using 3-D finite-element analysis, which can estimate the eddy-current loss in the permanent magnet accurately. The calculated losses are compared with the measured results and the theoretical solution to verify the validity of the analysis. The variation of the magnet eddy-current loss due to the division of the magnet is also investigated. It is clarified that the eddy-current loss in the permanent magnet is mainly produced by the carrier harmonics of the inverter and that the axial length of the divided magnet should be smaller than the skin depth of the eddy currents produced by the major harmonics for the loss reduction.