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永磁变频
返回列表 来源: 发布日期: 2021.03.31

沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心的研究人员佟文明、王云学等,在2018年第24期《电工技术学报》上撰文(论文标题为“永磁变频空压机变频器供电内置式 永磁变频空压机同步电机转子损耗计算与试验”),为了研究内置式永磁同步电机在变频器供电满载运行时铁心损耗和永磁体损耗大小和温升分布规律,采用有限元法计算两种不同转子磁极结构电机在正弦波和变频器供电下,不同内功率因数角和变频器参数时的损耗,并采用温度场软件仿真正弦波和变频器供电下永磁体与绕组温升分布。

为了采用试验法分离永磁体损耗,利用埋置于内置式转子的无线测温元件测试满载时永磁体温度随时间的变化曲线,根据初始时段时间温度曲线斜率计算得到永磁体涡流损耗值。同时,利用拖动电机反拖装有与样机转子体积、质量相同的假转子样机测试机械损耗。将测试总损耗减去绕组铜耗、机械损耗和永磁体损耗分离出铁心损耗实验值,并将永磁体损耗、铁心损耗、永磁体温升实验值与计算值进行对比,验证仿真分析的正确性。

内置式永磁同步电机因其优异的电磁性能而被广泛应用在对转矩密度、能效、弱磁扩速能力有很高要求的新能源电动汽车、机床电主轴等领域。由于转矩密度高,导致内置式永磁电机损耗密度大,尤其是变频器供电电流时间谐波导致转子损耗急剧增大,加之转子散热条件差,严重威胁电机运行的安全性与可靠性。因此,准确计算与测试内置式永磁电机各部分损耗与温升,尤其是永磁体损耗与温升具有重要意义。

为了准确预测变频器驱动下永磁电机各部分损耗的大小与分布,许多论文对其进行了深入的研究,并取得一定的成果。

文献[7]中提出了一种可以考虑任何极槽配合和不同负载情况下由开槽所引起的电机永磁体涡流损耗计算方法,同时与有限元求解的结果进行比较验证了解析计算的准确性。文献[8,9]分析了宽转速恒功率的内置式永磁同步电机各部分磁通密度的变化,采用有限元软件计算出电机定转子铁心中的磁滞损耗与涡流损耗,同时表明作用在定子铁心中谐波磁场产生的涡流损耗主要作用在铁心的齿部,并提出通过增大内功率因数角来削弱磁场有利于减小铁心损耗。

日本千叶工业大学学者Katsumi Yamazaki在文献[10]中认为变频器供电时电机的损耗主要是由磁导谐波和电流时间谐波产生且电流时间谐波占主要因素,随着变频器载波频率的增加,电流时间谐波产生的损耗将会减小。文献[11]分别研究了内置式和表贴式转子结构、分布式和分数槽集中式定子绕组永磁电机中各部分损耗分布,并指出采用分数槽集中绕组的电机永磁体涡流损耗要比分布式显著增大。

文献[12]中提出了一种二维有限元和解析法的混合模型用于求解变频器供电电机损耗大小和分布,计算结果表明采用二维有限元和解析混合模型在保证求解精度的同时能节省求解时间。文献[13,14]针对表面式永磁电机分别研究了变频器供电不同开关频率和调制比时电流时间谐波所引起的电机各部位损耗大小,以及正弦波供电、直接转矩控制和矢量控制等不同供电方式时电机各部分损耗的大小与分布规律。

目前已有文献在表面式与内置式永磁同步电机铁心与永磁体损耗计算和规律研究方面取得了大量研究成果,但针对内置式永磁同步电机永磁体损耗试验方法和细致的损耗分布规律方面研究成果较少。

本文以两台定子完全相同、转子磁极结构不同(分别为“V-”型和“V”型)的10kW内置式永磁体同步电机为例,运用有限元软件分析了两种磁极结构电机在满载正弦波和变频器供电、开关频率与调制比变化、不同电流相位等情况下的损耗大小和分布规律,并且仿真得到永磁体与绕组温升分布。

在此基础上,提出利用内置式永磁电机隔磁间隙埋置无线测温元件的实验方法测试得到变频器供电满载运行时“V”型电机的永磁体温升和损耗实验值,并将永磁体损耗与温升的测试结果与有限元计算结果进行对比,验证仿真计算结果的准确性。

结论

本文以两台定子完全相同、转子结构不同的内置式永磁同步电机为例,运用时步有限元法分析了正弦波和变频器供电、不同内功率因数角、不同变频器参数对电机定、转子铁心和永磁体损耗的影响,并基于实验方法测试并分离出内置式永磁电机永磁体涡流损耗、机械损耗和铁心损耗测试结果,验证了仿真的准确性。得到如下结论:

1)内置式永磁同步电机在变频器供电时,转子铁心损耗和永磁体涡流损耗要比正弦波供电时高出60%以上,永磁体温升高出70%以上,变频器供电满载运行时永磁体稳态温升可达140K。由此可见变频器供电的电流时间谐波对内置式永磁电机转子损耗影响很大,有必要在设计时采取措施抑制永磁体损耗与温升。

2)变频器供电满载运行时,“V-”型内置式永磁电机转子铁心与永磁体损耗之和要比“V”型电机的略小(减小约2%)

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