- 頭條內置式永磁同步電機在變頻器供電時，轉子損耗大2020-01-17 作者：佟文明、王云學 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語沈陽工業大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心的研究人員佟文明、王云學等，在2018年第24期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“變頻器供電內置式永磁同步電機轉子損耗計算與試驗”），為了研究內置式永磁同步電機在變頻器供電滿載運行時鐵心損耗和永磁體損耗大小和溫升分布規律，采用有限元法計算兩種不同轉子磁極結構電機在正弦波和變頻器供電下，不同內功率因數角和變頻器參數時的損耗，并采用溫度場軟件仿真正弦波和變頻器供電下永磁體與繞組溫升分布。 為了采用試驗法分離永磁體損耗，利用埋置于內置式轉子的無線測溫元件測試滿載時永磁體溫度隨時間的變化曲線，根據初始時段時間溫度曲線斜率計算得到永磁體渦流損耗值。同時，利用拖動電機反拖裝有與樣機轉子體積、質量相同的假轉子樣機測試機械損耗。將測試總損耗減去繞組銅耗、機械損耗和永磁體損耗分離出鐵心損耗實驗值，并將永磁體損耗、鐵心損耗、永磁體溫升實驗值與計算值進行對比，驗證仿真分析的正確性。
內置式永磁同步電機因其優異的電磁性能而被廣泛應用在對轉矩密度、能效、弱磁擴速能力有很高要求的新能源電動汽車、機床電主軸等領域。由于轉矩密度高，導致內置式永磁電機損耗密度大，尤其是變頻器供電電流時間諧波導致轉子損耗急劇增大，加之轉子散熱條件差，嚴重威脅電機運行的安全性與可靠性。因此，準確計算與測試內置式永磁電機各部分損耗與溫升，尤其是永磁體損耗與溫升具有重要意義。
為了準確預測變頻器驅動下永磁電機各部分損耗的大小與分布，許多論文對其進行了深入的研究，并取得一定的成果。
文獻[7]中提出了一種可以考慮任何極槽配合和不同負載情況下由開槽所引起的電機永磁體渦流損耗計算方法，同時與有限元求解的結果進行比較驗證了解析計算的準確性。文獻[8,9]分析了寬轉速恒功率的內置式永磁同步電機各部分磁通密度的變化，采用有限元軟件計算出電機定轉子鐵心中的磁滯損耗與渦流損耗，同時表明作用在定子鐵心中諧波磁場產生的渦流損耗主要作用在鐵心的齒部，并提出通過增大內功率因數角來削弱磁場有利于減小鐵心損耗。
日本千葉工業大學學者Katsumi Yamazaki在文獻[10]中認為變頻器供電時電機的損耗主要是由磁導諧波和電流時間諧波產生且電流時間諧波占主要因素，隨著變頻器載波頻率的增加，電流時間諧波產生的損耗將會減小。文獻[11]分別研究了內置式和表貼式轉子結構、分布式和分數槽集中式定子繞組永磁電機中各部分損耗分布，并指出采用分數槽集中繞組的電機永磁體渦流損耗要比分布式顯著增大。
文獻[12]中提出了一種二維有限元和解析法的混合模型用于求解變頻器供電電機損耗大小和分布，計算結果表明采用二維有限元和解析混合模型在保證求解精度的同時能節省求解時間。文獻[13,14]針對表面式永磁電機分別研究了變頻器供電不同開關頻率和調制比時電流時間諧波所引起的電機各部位損耗大小，以及正弦波供電、直接轉矩控制和矢量控制等不同供電方式時電機各部分損耗的大小與分布規律。
目前已有文獻在表面式與內置式永磁同步電機鐵心與永磁體損耗計算和規律研究方面取得了大量研究成果，但針對內置式永磁同步電機永磁體損耗試驗方法和細致的損耗分布規律方面研究成果較少。
本文以兩臺定子完全相同、轉子磁極結構不同（分別為“V-”型和“V”型）的10kW內置式永磁體同步電機為例，運用有限元軟件分析了兩種磁極結構電機在滿載正弦波和變頻器供電、開關頻率與調制比變化、不同電流相位等情況下的損耗大小和分布規律，并且仿真得到永磁體與繞組溫升分布。
在此基礎上，提出利用內置式永磁電機隔磁間隙埋置無線測溫元件的實驗方法測試得到變頻器供電滿載運行時“V”型電機的永磁體溫升和損耗實驗值，并將永磁體損耗與溫升的測試結果與有限元計算結果進行對比，驗證仿真計算結果的準確性。
圖15 樣機測試平臺
結論
本文以兩臺定子完全相同、轉子結構不同的內置式永磁同步電機為例，運用時步有限元法分析了正弦波和變頻器供電、不同內功率因數角、不同變頻器參數對電機定、轉子鐵心和永磁體損耗的影響，并基于實驗方法測試并分離出內置式永磁電機永磁體渦流損耗、機械損耗和鐵心損耗測試結果，驗證了仿真的準確性。得到如下結論：
1）內置式永磁同步電機在變頻器供電時，轉子鐵心損耗和永磁體渦流損耗要比正弦波供電時高出60%以上，永磁體溫升高出70%以上，變頻器供電滿載運行時永磁體穩態溫升可達140K。由此可見變頻器供電的電流時間諧波對內置式永磁電機轉子損耗影響很大，有必要在設計時采取措施抑制永磁體損耗與溫升。
2）變頻器供電滿載運行時，“V-”型內置式永磁電機轉子鐵心與永磁體損耗之和要比“V”型電機的略小（減小約2%）。
