PMSM定子鐵耗與磁極渦流損耗計(jì)算及其對(duì)溫度場的影響
張洪亮，鄒繼斌，陳霞，江善林
(哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江哈爾濱150001)
摘要：采用二維有限元法對(duì)交流水磁同步電動(dòng)機(jī)(PMsM)定子與磁極區(qū)域電磁場進(jìn)行了分析研究，闡述了定子鐵心不同區(qū)域磁場的變化規(guī)律以及磁極區(qū)域渦流場的分布規(guī)律：在此基礎(chǔ)上，綜合考慮電機(jī)中交變與旋轉(zhuǎn)磁場的影響，計(jì)算了電機(jī)定子飽和鐵心損耗與磁極渦流損耗，并將此計(jì)算結(jié)果應(yīng)用于電機(jī)的三維溫度場計(jì)算中，分析了兩類損耗對(duì)電機(jī)溫升的影響。通過計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值的對(duì)比分析，驗(yàn)證了損耗與溫度場計(jì)算方法的正確性。
關(guān)鍵詞：水磁同步電動(dòng)機(jī)；鐵耗；渦流損耗；溫度場
中圖分類號(hào)：TM341 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004一7018(2008)05—0001—04
O引 言
永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡稱PMsM)具有效率高、功率密度高、控制性能好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高性能的驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域。PMsM鐵心中的磁場變化規(guī)律比較復(fù)雜，與電機(jī)的結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)速及控制策略密切相關(guān)，此外，電機(jī)正常工作時(shí)，定子鐵心中的磁通密度是非正弦、非線性的，且各處的磁通密度不同，而鐵心損耗又與磁通密度幅值呈非線性關(guān)系，對(duì)于此類飽和鐵心損耗的計(jì)算是比較困難的。傳統(tǒng)上認(rèn)為鐵心內(nèi)磁場只發(fā)生交變，僅產(chǎn)生交變鐵心損耗，而實(shí)際上一部分鐵心處于旋轉(zhuǎn)磁場中，也產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)鐵心損耗，因此為了準(zhǔn)確定量計(jì)算飽和鐵心損耗，首先確定鐵心內(nèi)任意點(diǎn)的磁密變化規(guī)律是必需的。
鐵耗在整個(gè)電機(jī)損耗中占有重要地位，也是引起電機(jī)發(fā)熱的主要原因之一。一般對(duì)表面磁鋼式永磁同步電動(dòng)機(jī)的研究認(rèn)為，該電機(jī)氣隙大，且磁鋼的磁導(dǎo)率近似為空氣的磁導(dǎo)率，電樞反應(yīng)很小，且轉(zhuǎn)子以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，因而無須考慮轉(zhuǎn)子損耗。但由于驅(qū)動(dòng)方式的不同及齒槽效應(yīng)的影響，轉(zhuǎn)子會(huì)產(chǎn)生損耗，并集中分布于磁極表層區(qū)域，從而導(dǎo)致該處熱源密度較大，引起轉(zhuǎn)子發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成永磁材料去磁，影響電機(jī)的性能，縮短電機(jī)的使用壽命。
本文在上述分析研究的基礎(chǔ)上，計(jì)算了PMsM的鐵心損耗與磁極區(qū)域的渦流損耗，同時(shí)，也對(duì)兩類損耗對(duì)電機(jī)溫升的影響進(jìn)行了分析。
1 PMSM定子鐵耗與磁極渦流損耗計(jì)算
1．1定子磁密波形有限元計(jì)算
應(yīng)用時(shí)步有限元法對(duì)電機(jī)鐵心磁場進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)360。電周期時(shí)，進(jìn)行11個(gè)位置的磁場計(jì)算，即每隔36。電角度計(jì)算一次，可得到定子鐵心每一個(gè)剖分單元磁密的徑向分量B：和切向分量B在圖l定子鐵心上選取4、B、c、D、E五點(diǎn)，可得各點(diǎn)磁密波形變化規(guī)律，如圖2所示。
從圖2可以看出，除了齒中間點(diǎn)(B點(diǎn))的磁場外，可以認(rèn)為是純粹的交變磁場外，其它各點(diǎn)均為交變磁場和旋轉(zhuǎn)磁場共同作用而形成的磁場。因此，在電機(jī)鐵心損耗的計(jì)算中不僅要考慮交變磁場所產(chǎn)生的鐵耗而且要考慮旋轉(zhuǎn)磁場所產(chǎn)生的鐵耗。
1.2定子鐵耗計(jì)算
根據(jù)鐵耗分離理論，定子鐵心每個(gè)單元由任意磁密波形所引起的鐵心損耗包括磁滯損耗Phys、渦流損耗Pclass和附加損耗Pexe三部分，即：
Pcore=Phys+Pclass+Pexe (1)
借助于諧波分析原理，電機(jī)中任意點(diǎn)磁密波形都可分解成一系列的橢圓型諧波磁密矢量對(duì)于每一個(gè)k次諧波分量，長軸磁密為B kmaj，短軸磁密為B kmin，在計(jì)算由旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的磁滯損耗時(shí) [2]，將旋轉(zhuǎn)磁滯損耗等效為兩個(gè)正交的交變磁滯損耗，因此，定子磁滯損耗的計(jì)算式：  式中：Ch為磁滯損耗系數(shù)；n取2為計(jì)算磁滯損耗經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；σ為鐵心迭片電導(dǎo)率；d為鐵心迭片厚；p為鐵心迭片密度；Ce為附加損耗系數(shù)。
根據(jù)時(shí)步有限元法計(jì)算得到的一個(gè)周期內(nèi)每個(gè)單元磁密矢量B的波形，采用式(2)～式(4)可以得到該單元的單位質(zhì)量鐵心損耗，再乘以該單元的質(zhì)量就可得到此單元的鐵心損耗�？傝F心損耗等于各個(gè)剖分單元鐵心損耗之和。
1．3磁極渦流損耗計(jì)算
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