高速永磁电机铁耗的分析和计算.pdf

高速永磁电机铁耗的分析和计算孔晓光;王凤翔;徐云龙;邢军强【摘要】高速电机由于高频供电,定子铁心内磁场变化频率的增高,导致铁耗增大,准确的铁耗计算显得尤为重要.本文通过实际测量有取向电工钢片不同频率和不同轧制方向的铁心损耗,对实验数据进行回归分析,确定铁耗计算模型中磁滞和涡流损耗系数.通过有限元分析,根据定子铁心不同区域磁场的变化规律,综合考虑电机中交变与旋转磁场的影响,对一台额定转速为60000r/min的高速永磁电机的铁耗进行了分析计算,并与试验结果进行了比较.结果表明,考虑旋转磁场及谐波磁场分量影响时的铁心损耗更接近实际测量值.【期刊名称】《电机与控制学报》【年(卷),期】2010(014)009【总页数】5页(P26-30)【关键词】高速永磁电机;铁心损耗;交变磁场;旋转磁场;分析计算【作者】孔晓光;王凤翔;徐云龙;邢军强【作者单位】沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳,110870;沈阳化工大学信息工程学院,辽宁沈阳,110142;沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳,110870;沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳,110870;沈阳工业大学电气工程学院,辽宁沈阳,110870【正文语种】中文【中图分类】TM3550引言高速永磁电机由于具有转速高、体积小、功率密度大、高效节能等优点，在高速磨床及其他加工机床、高速飞轮储能系统、天然气输送及污水处理中等领域得到越来越广泛的应用。高速电机的供电频率可达到上千赫兹，铁心损耗随着磁场变化频率的增加而增大，在电机总损耗中的比重也将增大。如何准确的计算电机的铁耗是高速电机设计中需要解决的重要课题［1］。为了研究电机的铁耗，需要建立铁耗的计算模型［2－6］，旋转电机中铁磁材料的损耗除了有磁场交变损耗外，还有旋转磁化条件下的铁耗［7－9］。对于一般电机，铁耗可以根铁心据钢片在工频正弦波电源励磁下的损耗曲线和经验公式来计算。然而对于特种电机特别是高速永磁电机，其转速每分钟数万转，供电频率可达上千赫兹，在这样的高频高速条件下，铁耗计算不能采用将工频供电下的损耗测试数据进行简单的频率折算的方法。为了准确计算高速电机的铁心损耗，需要分析铁心材料的高频特性和铁心中的磁场变化规律。本文基于1台额定功率75kW，额定转速60000r/min的高速永磁同步电机为例，通过对定子铁心典型部位磁通密度分布和变化规律的分析，综合考虑交变和旋转磁场的影响，分析计算了电机定子的铁心损耗，并与电机的试验结果进行了比较。1高速永磁电机定子铁耗计算1.1定子铁心内磁场的有限元分析永磁电机定子铁心中各部位的磁场空间分布和随时间的变化规律不同，采用平均磁通密度来计算铁耗会带来较大的误差。为了准确的计算铁耗，需要了解铁心内各部位的磁场分布和变化规律。图1为1台额定转速为60000r/min的2极24槽高速永磁电机结构图。为了减小2极定子绕组的轴向端部长度和增加散热效果，定子采用环形绕组，绕组的下层边放在定子铁心内部的24个槽中，而绕组上层边放在定子轭外部的24个槽中［10－11］。对该电机定子铁心的几个典型部位（图1中所示的a，b，c，d，e点），采用二维磁场时步有限元分析，可以得到上述不同位置在1个磁场变化周期内的磁通密度变化波形。由图2至图6可以看出，电机定子铁心中不同位置的磁化方式各不相同，只有齿部中间位置d点的磁场可以近似的看作交变磁场，点a，b，c的磁场皆为椭圆旋转磁场。点e处于定子铁心外侧散热筋上，其磁通密度很小。图124槽高速永磁电机结构图Fig．1Configurationofhigh-speedpermanentmagnet（PM）machinewith24slots图2a点磁通密度分量及矢量轨迹Fig．2Componentsandvectorlocusoffluxdensityatpointa图3b点磁通密度分量及矢量轨迹Fig．3Componentsandvectorlocusoffluxdensityatpointb图4c点磁通密度分量及矢量轨迹Fig．4Componentsandvectorlocusoffluxdensityatpointc图5d点磁通密度分量及矢量轨迹Fig．5Componentsandvectorlocusoffluxdensityatpointd图6e点磁通密度分量及矢量轨迹Fig．6Componentsandvectorlocusoffluxdensityatpointe在计算电机定子铁心损耗时不仅要考虑交变磁场的影响，还需要考虑旋转磁场产生的铁耗。1.2基于Bertotti铁耗分立模型的铁耗计算目前比较经典的铁耗计算方法是仅考虑交变磁化的影响，建立Bertotti铁耗分立计算模型［12］，即式中:PFe为铁耗;Ph为磁滞损耗;Pc为经典涡流损耗;Pe为异常涡流损耗;Bp为