永磁同步电机转子涡流损耗实验方法研究

永磁同步电机转子涡流损耗实验方法研究

1转子标准曲线在表面式永速电机中，由于旋转元件和磁体之间的同步旋转，经常忽视旋转元件中的涡流损失。实际上,定子齿槽效应、绕组磁动势的非正弦分布和绕组中的谐波电流所产生的谐波磁势也会在转子永磁体、转子轭和绑扎永磁体的金属护套中引起涡流损耗。在通常情况下,与定子的铜损和铁损相比,永磁同步电机中的转子涡流损耗很小。但是由于转子散热条件不好,这些涡流损耗可能会引起很高的温升,引起永磁体局部退磁,特别是烧结NdFeB具有较大电导率和较低的居里温度。在一些高速或高频永磁同步电机中尤为严重。国内外学者提出了多种计算转子涡流损耗的方法,主要有解析法和有限元法两大类。由于涡流损耗不能直接测量,而且转子涡流损耗只占总损耗的一小部分,即很难从基本损耗中分离出来,转子涡流损耗计算方法很少得到实验验证。文献将计算得到的总损耗和输出功率与电机输入功率进行比较来验证计算结果。由于转子涡流损耗小,铁心损耗和杂散损耗的准确计算和测量很难进行,所以这种方法很难得到准确验证。文献即通过测量转子的温度来计算转子涡流损耗。由于转子的温升与材料导热系数、散热系数和通风条件有关,而且与测量点有关,温度计法很难准确计算出实际的涡流损耗。文献通过在两相绕组中通一交流电流来测量转子堵转时不同频率下的等效阻抗,用等效电阻的方法求转子涡流损耗,但没有将定子高频铁心损耗和高频铜损分离出去,误差较大。针对转子涡流损耗计算的准确实验验证的需要,本文提出一种谐波电流引起的转子涡流损耗计算的实验验证方法,即在堵转情况下,在绕组中通三相对称电流,通过测量绕组的电压和电流来计算电机的等效阻抗,并通过实验方法将定子的高频铜损和铁损分离出去,最后得到真正的转子涡流损耗。2等效电阻表征的损耗曲线与电机的基本损耗相比,永磁同步电机中的转子涡流损耗很小。因此在基本损耗计算中很小的计算误差就会带来转子涡流损耗很大的误差。但在转子堵转时进行测试,可以消除电机基本损耗对转子涡流损耗的影响。如图1所示,转子堵转或无转子时,一相绕组可以等效为电阻和电感的串联,等效电阻表征电机的电阻损耗、铁心损耗和转子涡流损耗的总和。通过实验的方法求出R和X,将定子损耗分离出去后就得到堵转时的转子涡流损耗,从而可以验证转子损耗计算方法。实验系统原理图如2所示,转子堵转或无转子时,在三相绕组上施加三相对称交流电源,通过测量一相电压U、相电流I和电压与电流相位角ϕ来计算等效电阻和电抗。R和X的计算公式为改变施加电压的频率,得到等效电阻和等效电感随频率的变化曲线。总的损耗计算可以表示为转子堵转时的等效电阻表征的损耗P1包括转子涡流损耗Pr、定子铜损PCu1、定子铁损PFe。即为了测量绕组铜电阻随频率的变化,需要在无转子情况下进行测量。无转子时测量得到的等效电阻表征的损耗包括绕组铜损Pcu1和定子铁损PFe_No。即因此,转子堵转状态下,转子涡流损耗为3材料系数估计对于高频磁场,硅钢片中的集肤效应影响较大,考虑集肤效应时铁心损耗为式中PFe——硅钢片单位重量铁耗,W/kgPh——磁滞损耗,W/kg在式(6)和式(7)中,a、b、d、e、x为材料系数,取决于硅钢片材料的物理和化学特性,可以采用铁耗测试仪如爱泼斯坦方圈仪测定,对于电机设计者,可向硅钢片制造商索取,也可以利用硅钢片制造商提供的铁耗曲线PFe(Bm),通过最佳估计法估计出这些系数。4测试示例采用上述方法对一台高速永磁同步电机进行了测试,测试分为有转子和无转子两种情况,下面分别予以介绍。4.1频率对等效电弧的影响谐波电流频率为20kHz时,三相电压和A相电流波形如图3所示。等效电阻的测量结果如图4所示,等效电阻在小于400Hz时变化缓慢,这时主要体现为绕组铜电阻;在大于600Hz时,随频率增加较快,这是由于随着频率的增加,转子阻抗的作用越来越明显。而且随着频率的增加,由于集肤效应的影响,绕组铜电阻也增加。测量得到的等效电阻所代表的损耗包括转子涡流损耗、定子铜损、定子铁损。等效电感的测量结果如图5所示,当频率小于2kHz时,等效电感随频率缓慢减小,其原因主要在于绕组漏电感由于集肤效应随频率的增加而减小;转子电抗与近似成比例,随着频率的增加,转子阻抗的作用越来越大,总的等效电感减小。当频率大于2kHz时,等效电感下降较快,这是由于此时转子阻抗的作用较大,随着频率的增加,由于集肤效应的影响,绕组漏感减小。4.2等效电弧测量将高速永磁同步电机的转子抽出来后,重复以上的实验。无转子时的等效电阻如图6所示。当频率小于1kHz时,等效电阻基本不变,当频率大于2kHz后,等效电阻迅速增加。测量得到的等效电阻包括绕组铜损和定子铁损。无转子时的等效电感如图7所示。随着频率的增加,等效电感减小。低频时,无转子时的等效电感比有转子时的等效电感小,但由于高速永磁同步电机气隙较大,两者相差较小。高频时,由于转子阻抗的影响,有转子时的等效电感比无转子时的等效电感小。4.3转子铁心损耗分析应用统计分析软件,采用最佳估计法,得到硅钢片DW270-35的材料系数,见表1。采用二维有限元法对有转子和无转子时的测试样机高频铁损进行计算,绕组电流为1A,计算得到的高频铁损随频率的变化曲线如图8所示。由于有无转子且相同电流时定子中磁通密度分布不同,定子铁心损耗不同。在频率低时,有转子时,气隙磁密、定子齿磁密和轭磁密较大,所以涡流损耗较大。当频率较高时,由于转子涡流损耗的电枢反应的影响,气隙磁密、定子齿磁密和轭磁密减小,所以涡流损耗较小。图9所示为f=20kHz时的气隙径向磁通密度分布图,显然有转子时的气隙磁密较小。所以定子铁损较小。由于转子涡流的影响,有转子时的气隙磁场发生畸变。由图6和图8可知,无转子时电机高频铜损占主导地位,在分析高频损耗时不能忽略。高频与其他损耗相比,高频铁心损耗较小,因此高频铁心损耗的计算精度对转子涡流损耗的测量精度影响很小。4.4评价群的损耗根据式(5),将测量到的总损耗减去定子铜耗、铁心损耗,得到转子涡流损耗。分离前的总损耗与分离后的转子涡流损耗如图10所示,两者在高频时相差很大,因此如果将转子堵转时的总损耗作为转子涡流损耗来近似处理,误差将很大,从而证明了本文所提出的方法的准确性。5测量精度的影响(1)本文提出的实验验证方法考虑了定子的高频铜损和铁损。具有较高的精度,符合实际情况,可为谐波电流引起的转子损耗的计算方法提供较准确的验证。(2)与其他损耗相比,高频铁心损耗较小,因此高频铁心损耗的计算精度