PMSM定子鐵耗與磁極渦流損耗計算及其對溫度場的影響

張洪亮，鄒繼斌，陳霞，江善林

(哈爾濱工業大學，黑龍江哈爾濱150001)

摘要：采用二維有限元法對交流水磁同步電動機(PMsM)定子與磁極區域電磁場進行了分析研究，闡述了定子鐵心不同區域磁場的變化規律以及磁極區域渦流場的分布規律：在此基礎上，綜合考慮電機中交變與旋轉磁場的影響，計算了電機定子飽和鐵心損耗與磁極渦流損耗，并將此計算結果應用于電機的三維溫度場計算中，分析了兩類損耗對電機溫升的影響。通過計算結果與實測值的對比分析，驗證了損耗與溫度場計算方法的正確性。

    關鍵詞：水磁同步電動機；鐵耗；渦流損耗；溫度場

    中圖分類號：TM341  文獻標識碼：A  文章編號：1004一7018(2008)05—0001—04

O引  言

    永磁同步電動機(以下簡稱PMsM)具有效率高、功率密度高、控制性能好等優點，廣泛應用于高性能的驅動領域。PMsM鐵心中的磁場變化規律比較復雜，與電機的結構、轉速及控制策略密切相關，此外，電機正常工作時，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系，對于此類飽和鐵心損耗的計算是比較困難的。傳統上認為鐵心內磁場只發生交變，僅產生交變鐵心損耗，而實際上一部分鐵心處于旋轉磁場中，也產生旋轉鐵心損耗，因此為了準確定量計算飽和鐵心損耗，首先確定鐵心內任意點的磁密變化規律是必需的。

    鐵耗在整個電機損耗中占有重要地位，也是引起電機發熱的主要原因之一。一般對表面磁鋼式永磁同步電動機的研究認為，該電機氣隙大，且磁鋼的磁導率近似為空氣的磁導率，電樞反應很小，且轉子以同步轉速旋轉，因而無須考慮轉子損耗。但由于驅動方式的不同及齒槽效應的影響，轉子會產生損耗，并集中分布于磁極表層區域，從而導致該處熱源密度較大，引起轉子發熱，嚴重時會造成永磁材料去磁，影響電機的性能，縮短電機的使用壽命。

    本文在上述分析研究的基礎上，計算了PMsM的鐵心損耗與磁極區域的渦流損耗，同時，也對兩類損耗對電機溫升的影響進行了分析。

1 PMSM定子鐵耗與磁極渦流損耗計算

1．1定子磁密波形有限元計算

    應用時步有限元法對電機鐵心磁場進行數值計算，當電機旋轉360^。電周期時，進行11個位置的磁場計算，即每隔36^。電角度計算一次，可得到定子鐵心每一個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，可得各點磁密波形變化規律，如圖2所示。

    從圖2可以看出，除了齒中間點(B點)的磁場外，可以認為是純粹的交變磁場外，其它各點均為交變磁場和旋轉磁場共同作用而形成的磁場。因此，在電機鐵心損耗的計算中不僅要考慮交變磁場所產生的鐵耗而且要考慮旋轉磁場所產生的鐵耗。

1.2定子鐵耗計算

    根據鐵耗分離理論，定子鐵心每個單元由任意磁密波形所引起的鐵心損耗包括磁滯損耗P_hys、渦流損耗P_class和附加損耗P_exe三部分，即：

    P_core=P_hys+P_class+P_exe    (1)

    借助于諧波分析原理，電機中任意點磁密波形都可分解成一系列的橢圓型諧波磁密矢量對于每一個k次諧波分量，長軸磁密為B_kmaj，短軸磁密為B_kmin，在計算由旋轉磁場產生的磁滯損耗時^[2]，將旋轉磁滯損耗等效為兩個正交的交變磁滯損耗，因此，定子磁滯損耗的計算式：

式中：Ch為磁滯損耗系數；n取2為計算磁滯損耗經驗系數；σ為鐵心迭片電導率；d為鐵心迭片厚；p為鐵心迭片密度；C_e為附加損耗系數。

    根據時步有限元法計算得到的一個周期內每個單元磁密矢量B的波形，采用式(2)～式(4)可以得到該單元的單位質量鐵心損耗，再乘以該單元的質量就可得到此單元的鐵心損耗。總鐵心損耗等于各個剖分單元鐵心損耗之和。

1．3磁極渦流損耗計算

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