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研究与设计；ＥＭＣＡ迫札与控制应用２００９，３６（８）－．！苎！！！！！！！！！！！竺！竺竺！竺！！！！！！！！！！竺！！！！！苎竺！！！！苎！！！！！！竺竺竺！！！！！！！竺！！！！！！！！苎！！！！！！！！竺！！！竺竺！！！！苎！！！！！！！＝！！！詈！！
波将是永磁体中涡流产生的主要原因；由磁块形状所造成的谐波也较为明显；而由于定子槽数多，定子齿槽谐波则相对较小。
图３Ａ相电流波形的谐波分解
空载、负载下的气隙磁场径向分量分别如图４、５所示，可以看出电枢反应磁场对气隙磁场的影响。空载磁场会感应出具有一定初始参考相位的反电势，空间谐波仅由永磁体的形状和齿槽位置引起，其产生涡流损耗所占比例小，只代表空载状态下的涡流成分。在额定负载下的气隙磁场受电枢反应的影响，因此其波形有所畸变。由于输入非正弦电流，气隙磁场包含空间和时间谐波，同时作用于永磁体，时间谐波将产生超过基波转速的旋转磁场，也将在磁体中引起更多的涡流损耗。
图４空载气隙磁场
图５负载气隙磁场
图６是稳定之后永磁体中的涡流损耗，根据该电机的槽极数，气隙磁场以３０。为周期而变化，－－——４．－——图中存在２１个与载波频率对应的损耗尖峰。齿槽与转子相对位置变化将引起不同的交变磁场，而且载波谐波也将会加剧涡流损耗的波动，其平均值为４７２Ｗ，是额定输出功率的１．５７％，这主要是由电枢电流中的高次谐波分量所造成的。通过对比研究发现，在此ＰＷＭ电压下，永磁体的涡流损耗远远超过了在正弦电压驱动下的损耗，增加了失磁的可能性。图７是永磁块中产生的涡流分布，可见：由于绝缘面切断了涡流回路，使得涡流路径发生弯曲，绝缘面的电流密度较大，并且在磁体外表面上存在大约１０个与定子齿槽数相对应的涡流环。
随着齿槽效应波动的转矩如图８所示，波动
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转角“。）
图６永磁体中的涡流损耗
图７半块永磁体的涡流分布
图８输出转矩
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’妻札．两，ｚ－ｅＪ应用２００９，３６（８）研究与设计；ＥＭＣＡ规律也与载波频率相对应，但是非同步速的旋转
磁场不会增加有效输出转矩，其平均转矩为１９１Ｎ?ｉｌｌ，即该电机的额定转矩。
３．２不同载波频率的影响
为了研究ＰＷＭ电压的载波频率对永磁体中涡流损耗的影响，本文另外分别加载了１０５０Ｈｚ和５２５０Ｈｚ的ＰＷＭ电压。计算出的涡流损耗与３１５０Ｈｚ的载波频率一起如图９所示。当频率从１０５０Ｈｚ增加至３１５０Ｈｚ时，涡流损耗降低了约４６％，即从８８２Ｗ降至４７２Ｗ；随着频率从３１５０Ｈｚ上升至５２５０Ｈｚ，涡流损耗进一步下降约１３％，即从４７２Ｗ降至４１２Ｗ。因此从降低涡流损耗的角度考虑，应采用载波频率超过３ｋＨｚ的ＰＷＭ电压。
ｌｏｏＯ
８００
≥
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２００
０
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载波频率／Ｈｚ
图９不Ｉ司载波Ｆ的涡流损耗
３．３试验验证
最后对第二部分所述的试验电机进行试验研究，图ｌＯ显示了输入线电压和相电流的测量波形，在该测量状态下测得的电动机输出转矩等于额定值１９０Ｎ?ｍ，该实测电流波形与仿真电流十分接近。线电压的基波相位领先基波电流２５．３，即基波相电流相位领先基波相电压４．７，其功率因数是０．９９７。基波电流的最大值为６９Ａ，并且其输入的电功率等于输出机械功率与损耗之和，这些都间接验证了仿真结果的正确性。
图１０线电压和相电流的测量波形４结话
本文采用场路紧密耦合法对一台在ＰＷＭ逆变器驱动下的３０ｋＷ／５０Ｈｚ表贴式ＰＭＳＭ建立了三维电机旋转磁场瞬态有限元模型。分析结果表明：在载波谐波作用下，永磁体的涡流损耗比在正弦电压驱动下有大幅增加，并将增加其失磁的可能性。同时还研究了不同载波频率对永磁体涡流损耗的影响，并推荐采用载波频率高于３ｋＨｚ的ＰＷＭ电压以减少涡流损耗。输入电流波形、转矩和功率平衡关系等试验结果都验证了仿真分析的准确性，本文提出的方法能准确有效地计算出在ＰＷＭ电压驱动下永磁体中的涡流损耗。
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收稿１３期：２００８－１２－３０
—５一 万方数据
PWM逆变器下永磁同步电动机中永磁体的三维涡流分析
作者：李虎， Akihiro Hoshino， LI Hu， Akihiro Hoshino
作者单位：李虎,LI Hu(清华大学电机工程与应用电子技术系,北京,100084)， Akihiro
Hoshino,Akihiro Hoshino(日本三菱重工名古屋研究所,名古屋,453851)
刊名：
电机与控制应用
英文刊名：ELECTRIC MACHINES & CONTROL APPLICATION
年，卷(期)：2009，36(8)
被引用次数：0次
参考文献(8条)
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相似文献(7条)
1.期刊论文严静妮.窦满峰.吴转峰.YAN Jing-ni.DOU Man-feng.WU Zhuan-feng稀土永磁同步电动机转子温升探
讨-微电机2006,39(8)
稀土永磁同步电动机在正常运行时,理论上转子无基波损耗,转子温升应该较低,但在实际中由于磁钢涡流损耗和谐波损耗等不可避免的问题引起转子发热,温升增大.针对作者研制的一台REPMSM在试验时出现转子温升过高现象,该文对转子结构、槽配合以及稀土永磁材料等进行分析,提出了降低转子温升的解决方法.通过实验可知,磁钢的涡流损耗对REPMSM的转子温升影响很大.
2.期刊论文张洪亮.邹继斌.陈霞.江善林.ZHANG Hong-liang.ZOU Ji-bin.CHEN Xia.JIANG Shan-lin PMSM定子铁
耗与磁极涡流损耗计算及其对温度场的影响-微特电机2008,36(5)
采用二维有限元法对交流永磁同步电动机(PMSM)定子与磁极区域电磁场进行了分析研究,阐述了定子铁心不同区域磁场的变化规律以及磁极区域涡流场的分布规律.在此基础上,综合考虑电机中交变与旋转磁场的影响,计算了电机定子饱和铁心损耗与磁极涡流损耗,并将此计算结果应用于电机的三维温度场计算中,分析了两类损耗对电机温升的影响.通过计算结果与实测值的对比分析,验证了损耗与温度场计算方法的正确性.
3.学位论文于收海永磁交流伺服电动机永磁体涡流损耗计算及其设计2007
本课题的研究工作主要围绕机床用永磁交流伺服电动机设计展开，所做的主要工作包括以下几个部分：
首先，钕铁硼永磁材料导电率较高、耐热性能较差，当电机气隙磁场谐波含量较大时，永磁体中就会感应出涡流形成涡流损耗导致永磁体发热。因此，有必要对转子永磁体内的涡流进行计算和分析。本文分析了永磁同步电动机转子永磁体内涡流产生的原因，建立涡流的数学模型并推导出永磁体涡流损耗的计算公式。用ANSOFT有限元软件建立电动机的物理模型进行电磁场求解，结合路的计算公式算出永磁体的涡流损耗。
其次，运行平稳性是伺服电动机的一项重要的性能指标，而转矩波动的大小直接影响运行平稳性。本文分析了机床用永磁交流伺服电动机转矩波动产生的原因，运用转矩波动计算公式结合ANSOFT有限元软件，计算比较相同功率、相同极数不同槽数时，电动机的转矩波动情况。通过比较计算出的转矩波动百分比的大小，选择所设计电动机的极槽配合，以提高机床用永磁交流伺服电动机的运行性能。
最后，完成机床用永磁交流伺服电动机基本结构尺寸以及电磁参数的选取，利用有限元软件，分析计算气隙长度变化对失步转矩倍数和永磁体用量的影响，以及永磁体宽度对气隙磁密波形的影响，以此合理选择气隙长度和永磁体的宽度，使电动机的性能更优良。在上述研究的基础上，本文设计了一台0.9kW，8极36槽的机床用永磁交流伺服电动机样机，并对其性能进行了测试，测试结果表明，电机的性能指标达到了预期的要求，证明了电机设计过程理论分析计算的正确性。
4.期刊论文陈宇华.马杰.杨宪忠外置式永磁同步电动机永磁体涡流损耗现象及解决办法-防爆电机2003,""(3)
1引言
近年来,由于高效、节能等方面的因素,各产业领域采用永磁同步电动机代替异步电动机,已成为一种趋势.永磁式同步电动机在转子结构上分为两类:一种是将永磁体埋设于转子内部,即所谓内置式(IPM);另一种是将永磁体嵌于转子表面,称之为外置式(SPM).
5.期刊论文李虎.Akihiro Hoshino.LI Hu.Akihiro Hoshino基于混合方法的PWM逆变器下永磁同步电动机的温升
研究-电机与控制应用2009,36(4)
提出一种新型基于等效热网络与有限元相结合的混合方法,建立了三维磁热耦合模型,对一台在脉宽调制(PWM)逆变器驱动下的30 kW/50 Hz表贴式永磁同步电动机进行了仿真研究.首先用场路紧密耦合方法分析电机的分布热源.包括涡流损耗、铁损和铜损.利用该热源分布,结合适当的热网络,研究了耦合温升问题.仿真结果表明,由于载波谐波的影响导敛永磁体中涡流损耗的大量增加,其温升也非常显著.试验验证表明,磁块表面和机壳的测量温度与分析结果栩吻合,因此该分析方法能准确预测水磁体温度.
6.期刊论文江晓光线性霍尔传感器在永磁同步电动机矢量控制器中的应用-微特电机2010,38(4)
1 永磁同步电动机物理模型
分析永磁同步电动机数学模型前,本文先进行一些设定:
(1)磁路为线性, 并且忽略磁路饱和;
(2)永磁材料不导电,永磁材料的磁导率和空气中的磁导率相等, 不计磁滞和涡流损耗;
(3)转子上没有阻尼绕组,定子相绕组中感应电动势波形是正弦波.
7.学位论文王晓远基于Halbach阵列盘式无铁心永磁同步电机的研究2006
盘式无铁心永磁同步电机作为一种现代高性能伺服电机和大力矩直接驱动电机，具有重量轻、体积小、结构紧凑、转子涡流损耗小、转动惯量小
，机电时间常数小、转矩/重量比大、低速运行平稳、可以制成多气隙组合式结构进一步提高转矩等特点，在数控机床、机器人、电动车、电梯、家用电器等场合具有广阔的应用前景。
本课题是国家863计划项目《高性能稀土永磁电机技术集成及关键材料》(2004AA32G080)的研究内容之一，对新型结构钕铁硼永磁电机——盘式无铁心永磁同步电动机进行设计与集成技术研究。
本论文提出了一种新型电机－基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电动机，并对这种电机进行了磁场分析和计算，针对该电机永磁体和电枢的加工工艺进行了分析。接着从电机优化设计的角度出发，提出了一种新型的基于Halbach阵列楔形气隙盘式无铁心永磁同步电动机，该电机通过改变气隙结构以进一步提高盘式无铁心永磁同步电机的气隙磁密，达到提高电机性能的目的，并针对这种电机进行建模和电磁场分析计算。还提出了一种新型的基于Halbach阵列的多盘式无铁心永磁同步电动机，通过电磁场分析以及工艺方面的研究，多盘式永磁同步电机最后采用了单元电机组合式的结构。
由于此类电机的特殊结构，决定了盘式无铁心永磁同步电动机的气隙磁场属于三维开域磁场，如何确定三维开域场的边界条件和对计算结果进行有效的处理也是课题的研究重点。在处理复杂的三维开域电磁场的计算时，通过大量有限元的仿真分析确定了求解区域，简化了计算。
盘式无铁心永磁同步电动机在结构上与普通永磁电动机有很多不同之处，与传统的电机参数计算相比，有很多计算方法都不相同。结合已有的关于盘式电机和永磁电机的参数计算方法以及三维磁场的计算结果，经反复公式推导，归纳出基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机的设计计算方法
，并以场路结合的方法对电机进行优化设计，总结出优化设计规律，并最后编制出了一套电磁设计计算的CAD软件。
针对所研究电机自身的特点，结合具体应用中的限制因素，制定了适用于该类电机的设计规则。成功地研制出了高性能的基于Halbach阵列的盘式无铁心永磁同步电机。在保证电气性能和机械可靠性的前提下，优化选择此电机的气隙长度，确定永磁材料的体积、厚度，尽可能地提高了钕铁硼永磁材料的利用率。最后制作工艺上，整/半轴的加工工艺、内/外转子结构的加工工艺、永磁体的固定加工、绕组盘的安装与定位、灌胶成形等难度都很大
，尤其是楔形气隙结构和多盘式结构的加工工艺更是复杂困难，加工精度要求特别之高，还制作了适合于盘式电机总装的特殊工艺设备。
本文链接：https://www.doczj.com/doc/096881183.html,/Periodical_zxxdj200908001.aspx
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下载时间：2010年12月18日