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內(nèi)置式永磁同步電機(jī)因其優(yōu)異的電磁性能而被廣泛應(yīng)用在對(duì)轉(zhuǎn)矩密度、能效、弱磁擴(kuò)速能力有很高要求的新能源電動(dòng)汽車、機(jī)床電主軸等領(lǐng)域。由于轉(zhuǎn)矩密度高，導(dǎo)致內(nèi)置式永磁電機(jī)損耗密度大，尤其是變頻器供電電流時(shí)間諧波導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損耗急劇增大，加之轉(zhuǎn)子散熱條件差，嚴(yán)重威脅電機(jī)運(yùn)行的安全性與可靠性。因此，準(zhǔn)確計(jì)算與測(cè)試內(nèi)置式永磁電機(jī)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(zhǔn)確預(yù)測(cè)變頻器驅(qū)動(dòng)下永磁電機(jī)各部分損耗的大小與分布，許多論文對(duì)其進(jìn)行了深入的研究，并取得一定的成果。

文獻(xiàn)[7]中提出了一種可以考慮任何極槽配合和不同負(fù)載情況下由開(kāi)槽所引起的電機(jī)永磁體渦流損耗計(jì)算方法，同時(shí)與有限元求解的結(jié)果進(jìn)行比較驗(yàn)證了解析計(jì)算的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[8,9]分析了寬轉(zhuǎn)速恒功率的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)各部分磁通密度的變化，采用有限元軟件計(jì)算出電機(jī)定轉(zhuǎn)子鐵心中的磁滯損耗與渦流損耗，同時(shí)表明作用在定子鐵心中諧波磁場(chǎng)產(chǎn)生的渦流損耗主要作用在鐵心的齒部，并提出通過(guò)增大內(nèi)功率因數(shù)角來(lái)削弱磁場(chǎng)有利于減小鐵心損耗。

日本千葉工業(yè)大學(xué)學(xué)者Katsumi Yamazaki在文獻(xiàn)[10]中認(rèn)為變頻器供電時(shí)電機(jī)的損耗主要是由磁導(dǎo)諧波和電流時(shí)間諧波產(chǎn)生且電流時(shí)間諧波占主要因素，隨著變頻器載波頻率的增加，電流時(shí)間諧波產(chǎn)生的損耗將會(huì)減小。文獻(xiàn)[11]分別研究了內(nèi)置式和表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、分布式和分?jǐn)?shù)槽集中式定子繞組永磁電機(jī)中各部分損耗分布，并指出采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組的電機(jī)永磁體渦流損耗要比分布式顯著增大。

文獻(xiàn)[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(jī)損耗大小和分布，計(jì)算結(jié)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(shí)能節(jié)省求解時(shí)間。文獻(xiàn)[13,14]針對(duì)表面式永磁電機(jī)分別研究了變頻器供電不同開(kāi)關(guān)頻率和調(diào)制比時(shí)電流時(shí)間諧波所引起的電機(jī)各部位損耗大小，以及正弦波供電、直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制等不同供電方式時(shí)電機(jī)各部分損耗的大小與分布規(guī)律。

目前已有文獻(xiàn)在表面式與內(nèi)置式永磁同步電機(jī)鐵心與永磁體損耗計(jì)算和規(guī)律研究方面取得了大量研究成果，但針對(duì)內(nèi)置式永磁同步電機(jī)永磁體損耗試驗(yàn)方法和細(xì)致的損耗分布規(guī)律方面研究成果較少。

本文以兩臺(tái)定子完全相同、轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)不同（分別為“V-”型和“V”型）的10kW內(nèi)置式永磁體同步電機(jī)為例，運(yùn)用有限元軟件分析了兩種磁極結(jié)構(gòu)電機(jī)在滿載正弦波和變頻器供電、開(kāi)關(guān)頻率與調(diào)制比變化、不同電流相位等情況下的損耗大小和分布規(guī)律，并且仿真得到永磁體與繞組溫升分布。

在此基礎(chǔ)上，提出利用內(nèi)置式永磁電機(jī)隔磁間隙埋置無(wú)線測(cè)溫元件的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試得到變頻器供電滿載運(yùn)行時(shí)“V”型電機(jī)的永磁體溫升和損耗實(shí)驗(yàn)值，并將永磁體損耗與溫升的測(cè)試結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證仿真計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖15 樣機(jī)測(cè)試平臺(tái)

結(jié)論

本文以兩臺(tái)定子完全相同、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)為例，運(yùn)用時(shí)步有限元法分析了正弦波和變頻器供電、不同內(nèi)功率因數(shù)角、不同變頻器參數(shù)對(duì)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體損耗的影響，并基于實(shí)驗(yàn)方法測(cè)試并分離出內(nèi)置式永磁電機(jī)永磁體渦流損耗、機(jī)械損耗和鐵心損耗測(cè)試結(jié)果，驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。得到如下結(jié)論：

1）內(nèi)置式永磁同步電機(jī)在變頻器供電時(shí)，轉(zhuǎn)子鐵心損耗和永磁體渦流損耗要比正弦波供電時(shí)高出60%以上，永磁體溫升高出70%以上，變頻器供電滿載運(yùn)行時(shí)永磁體穩(wěn)態(tài)溫升可達(dá)140K。由此可見(jiàn)變頻器供電的電流時(shí)間諧波對(duì)內(nèi)置式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子損耗影響很大，有必要在設(shè)計(jì)時(shí)采取措施抑制永磁體損耗與溫升。

2）變頻器供電滿載運(yùn)行時(shí)，“V-”型內(nèi)置式永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子鐵心與永磁體損耗之和要比“V”型電機(jī)的略小（減小約2%）。