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。     

不同供电方式对非晶合金永磁同步电机铁耗的影响

为研究不同供电方式(包括正弦波电源供电、直接转矩控制和矢量控制)时的非晶合金永磁同步电机铁耗的大小与分布规律,首先测试了不同频率下非晶合金环形叠压铁心的损耗曲线。然后,以一台8极、36槽表面式非晶电机为例,将定子铁心划分为轭部、齿根、齿身和齿顶四个区域,运用时步有限元法,研究了不同供电方式对空载不同区域的铁耗分布影响情况。并对空载的转子损耗分布规律进行了研究。结果显示:两种供电方式下,定子铁耗主要集中在齿身和轭部区域,都占定子总铁耗的37%以上,齿根区域其次,而由于齿顶区域铁心体积小,其铁耗在四个区域中的比重最小,只占6%以下;就总定子铁耗而言,直接转矩控制相对于矢量控制增加了24.7%。相应于矢量控制,直接转矩控制转子铁心损耗增加了36.7%,永磁体涡流损耗增加7.8%。最后经过与试验值对比,验证了铁耗计算的有效性。     

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%.     

槽配合对单绕组双速直槽异步电动机空载磁场及损耗的影响

大功率单绕组双速电机转子通常采用直槽结构,无法通过斜槽来削弱齿谐波。为了研究直槽情况下,定转子槽配合变化对单绕组双速电机空载磁场及损耗的影响,以一台定子槽数为48的15/3 k W,4/8极单绕组双速电机为例,利用时步有限元法对比分析了不同槽配合时电机内部磁场及铁耗、定转子铜耗的变化规律。结果表明:随转子槽数增加,气隙径向磁场基本不变而切向磁场高次谐波含量增加;与少槽配合相比,多槽配合时定子铜耗和转子高频附加铁耗均略微增加;转子铜耗先减小后增加且在多槽配合时远大于少槽配合。样机实验对比验证了该分析的正确性。研究结果可为合理选择单绕组双速电机槽配合提供重要的理论依据。     

高速永磁电机的损耗计算与温度场分析

高速电机由于转速高和绕组电流频率高,单位体积定子的铁耗和铜耗、转子的高频涡流损耗和表面空气摩擦损耗,与具有常速的普通电机相比皆有较大的增加。同时,由于功率密度的增加和总体散热面积的减小,有效的散热和冷却方式是高速电机设计中的一个重要问题。本文基于磁场有限元和3D流体场分析,对高速永磁电机的基本电气损耗、高频附加损耗和转子空气摩擦损耗进行了分析,并以一台额定转速为60 000r/min的高速永磁电机为例,进行了高速电机损耗的计算及测试方法研究;基于流固耦合分析对高速永磁电机的温升进行了计算,通过对一台高速永磁电机温升计算值与实验结果的比较,验证了高速永磁电机温升计算方法的有效性。     

转子偏心对低速大转矩永磁同步电机损耗与发热的影响

为了研究转子偏心对损耗与发热的影响,以一台400 kW、20 r/min的低速大转矩永磁同步电机为对象,分析并建立了其转子偏心时的二维非线性时变电磁场和三维各向异性温度场模型,并通过有限元分析了转子偏心对该电机电磁性能及损耗、发热的影响.结果表明,随着转子偏心率的增加,反电动势及定子铁耗变化不大,但气隙磁密谐波畸变率、电枢电流、电磁转矩、齿槽转矩、定子铜耗、转子损耗及电机发热明显增加,转子偏心反向侧的局部温升变大;采用强迫风冷代替自然风冷后,可有效降低最高温度并使温升分布更加均匀.     

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。     

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。     

基于Maxwell的电动汽车轮毂电机电磁损耗特性分析

电动汽车轮毂电机经常要在复杂的运行工况和恶劣环境下运行,导致轮毂电机电流和内部电磁损耗不断发生变化,对电机温升分析和可靠运行产生严重影响。以1台4 kW轮毂电机为例,利用Maxwell电磁有限元分析软件,建立轮毂电机的电磁有限元模型并对电磁场进行计算。通过选取加速和过载中常见的8种工况进行计算,分析了轮毂电机各部件的电磁损耗分布状态和数值变化规律。由分析结果可知,定子铁耗随转速的上升而增加,随过载倍数增加的变化不大;转子产生的铁心损耗可以忽略不计;永磁体涡流损耗同时随着加速和过载的增加而增加,但加速工况产生的影响更强;绕组铜耗主要受过载倍数变化的影响,占总损耗的比重最大,是主要热源。研究结果为轮毂电机温度场的分析和冷却结构的设计提供重要的参考依据。     

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...     

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。     

高速永磁电机设计与分析技术综述

高速永磁电机在航空航天、能源及精密制造等领域具有广阔的应用前景。该文首先介绍了现有文献中的高速永磁电机定转子结构及其所使用的材料;然后从定子铁耗、铜耗、转子涡流损耗与风摩损耗等方面,分别总结归纳了电机中各项损耗及其计算方法;对比分析了各种高速永磁电机温升计算方法;概述了高速电机转子支承方式的发展情况。总结了转子强度与动力学分析相关的问题,最后展望高速永磁电机相关技术的主要发展方向。     

变频供电条件下异步电机空载磁场及损耗分布特点

以一台空间矢量脉宽调制(SVPWM)供电的5.5 k W异步电机为例,利用时步有限元法分析不同载波频率和调制比下电机定转子铁心磁密变化规律及其对损耗密度分布的影响。结果表明,变频供电时,定转子铁心磁密谐波主要集中在定子齿顶区域,随载波频率增加,电机总铁耗下降,但总体变化较小;调制比增加导致变频器输出电压谐波含量降低,电机内部定子铁心谐波损耗密度减小,电机总损耗随调制比增加而降低。对不同载波频率和调制比空载运行状态进行试验对比,验证了分析的正确性。     

无刷双馈电机谐波铜耗与铁耗的分析与计算

针对无刷双馈电机谐波含量高、谐波损耗大的问题,提出考虑谐波磁场、谐波电流、集肤效应和旋转磁化影响的BDFM损耗计算模型.基于二维场路耦合时步有限元模型和谐波分析方法,分别建立两种转子铜耗计算模型和三种定转子铁耗计算模型,分析不同计算模型对转子铜耗和定转子铁耗的影响,得到定转子谐波铜耗和铁耗的变化规律.结果表明,转子铜耗模型2以及定转子铁耗模型3更精确;随着控制绕组电压的增加,定转子铜耗先减小后增加,定转子铁耗持续增加;随着负载转矩的增加,定转子铜耗和铁耗均随之增加.通过与一台相似异步电机铜耗和铁耗的电磁设计数据和实验数据的比较,验证了模型与计算结果的正确性.     

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。     

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。     

10 kW超高速永磁电机三维瞬态温度场计算

为了考察电机在装配螺旋槽水冷套时对转子的冷却效果,针对1台功率10 k W、额定转速90 000 r/min的超高速永磁电机,采用有限元方法对电机三维温度场进行了研究,考虑了定子铁损、定子铜损,转子铁损和转子风摩擦损耗的影响。结果表明:定转子小间隙内的空气对转子起到了类似"热密封"的作用,当转子损耗功率较大时,仅依靠螺旋槽水冷套并不能有效地冷却转子,还必需辅以定转子小间隙的强迫空气冷却,以进一步降低转子温度。研究结果为大功率高速永磁电机热设计提供了重要参考依据。     

纯电动客车用高速永磁轮边电机损耗分析方法研究

针对纯电动客车用高速永磁轮边电机进行损耗分析方法研究。通过有限元模型对定子齿部、轭部以及转子铁耗进行计算,分别对不同工况下的电磁损耗进行分析,并考虑非正弦激励的影响,建立电磁损耗计算模型。通过设计损耗分离实验,利用无磁体转子电机分离机械损耗与空载铁耗,并对机械、杂散损耗分别建模,完善全工况点电机损耗计算模型。通过样机实验验证,该方法能够对同平台电机损耗进行准确分析。     

自起动永磁同步电动机稳态运行鼠笼电流分析

通过理论分析和有限元仿真,对定子绕组采用△联接的自起动永磁同步电动机的气隙磁场、转子阻尼绕组的电流、转矩、转速、损耗等进行分析,可以得出定子绕组采用△联接时,不仅会大大增加稳态运行时的转子铜耗,还会引起转矩、转速的波动。因此,定子绕组应慎用△联接。将△联接与Y联接的电机做了对比分析。     

高速永磁电机转子空气摩擦损耗研究

高速电机旋转速度每分钟数万转甚至高达数十万转,其转子表面的空气摩擦损耗要比普通电机高得多,在总损耗中占有较大比例。转子表面的空气摩擦损耗与电机转速、气隙结构及转子表面粗糙度等多种因素有关,很难通过理论分析和解析方法准确计算。基于3D流体场模型,对高速永磁电机的转子空气摩擦损耗与电机转子转速、表面粗糙度及轴向风速的关系进行了分析,并针对一台额定转速60000r/min的磁悬浮转子高速永磁电机,进行了转子空气摩擦损耗的计算及测试方法研究。通过电机空载试验,根据转子空气摩擦损耗和定子铁耗与电机转速之间的关系,可将空气摩擦损耗从总损耗中分离出来。实验结果和计算值一致,表明基于流体场分析的高速电机转子空气摩擦损耗计算方法是有效的。