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《发电机转子绕组的交流阻抗和功率损耗测量》一、试验目的:如果转子绕组出现匝间短路,则转子绕组有效匝数就会减小，其交流阻抗就会减小，损耗会有所增大，因此,通过本次测量转子绕组交流阻抗和功率损耗，与历次试验数据相比，就可以有效地判断转子绕组是否有匝间短路。
轻微的匝间短路并不会对发电机产生很大的影响，常常被忽略,但如果匝间短路程度加剧，则会引起机组的振动增大，励磁电流增大，严重时造成转子一点甚至两点接地故障,大轴磁化、烧毁护环恶性事故的发生。
因此对发电机转子绕组匝间短路故障的检测十分必要.二、试验方法：通过滑环向转子绕组施加交流电压,通过仪器自动读取电压、电流、功率损耗和交流阻抗。
施加电压的大小用调压器来调节。
三、试验仪器：HVZ-Ⅱ发电机转子交流阻抗测试仪、调压器四、试验步骤：(1）试验前先确认转子绕组的励磁回路已全部断开并验电。
（2）对试验现场进行封闭，用围栏或绳子将试验现场围起.（3）用量程为500V的兆欧表对转子进行绝缘电阻测量。
（3）按试验原理图接好试验线路，带电空试以检查试验设备和各仪器仪表是否正常。
（4）试验电压的确定：对于额定励磁电压在400V及以下的绕组，施加的电压一般考虑为其电压值等于额定励磁电压.额定励磁电压大于400V时,电压可适当降低，对于本次#5发电机转子交流阻抗试验施加电压220V即可满足条件.（5)确定好接线后，打开仪器，设置电压步长，可选择单向测量或双向测量，选择单相测量后进行慢慢升压，读取并记录电压、电流、交流阻抗和功率损耗。
(6）分别在盘车状态下、500r/min、1400 r/min、2200 r/min、3000 r/min转速下进行转子交流阻抗测量，每种状态都应在几个不同的电压下进行测量。
(7）试验完毕后，断开电源，然后需检查试验仪表是否正常,收拾仪器并清理场地。
五、试验标准：1、阻抗和功率损耗值自行规定。
在相同试验条件下与历年数值比较，不应有显著变化.相差10%应该引起注意.2、隐极式转子需要在膛外或膛内以及不同转速下测量。
电机空载损耗实验报告引言电机是工业生产过程中常见的设备之一，它的功率损耗是电机运行中不可避免的现象。
电机在负载情况下的功率损耗可以通过实际运行中的电量测量等手段进行测量，而电机在空载状态下的损耗则需要通过实验来获取。
本实验旨在通过对电机空载情况下的功耗进行测量，研究电机的空载损耗特性。
实验目的1. 了解电机空载损耗的产生原理；2. 学习使用电功率计对电机空载损耗进行测量；3. 分析不同转速、不同电压对电机空载损耗的影响。
实验原理电机空载损耗包括铁损和机械损耗两部分。
铁损是由于电机在空载时，磁场交变不断产生磁滞和涡流损耗而产生的。
机械损耗主要是电机轴承的摩擦力和透磁损耗引起的。
实验中，通过将电机与电力网连接，使电机处于空载状态，利用电功率计对电机的电功率进行测量，即可获取电机空载损耗的数据。
根据测量结果可以得到电机的空载损耗功率和转速之间的关系。
实验器材与仪器1. 电机：使用额定功率为1kW的三相异步电机；2. 电功率计：用于测量电机的电功率。
实验步骤1. 检查实验器材是否正常工作，保证电机无负载情况下旋转自如；2. 将电机与电力网连接，使其处于空载状态；3. 将电功率计与电机连接；4. 打开电机和电功率计，记录电机的名称、额定功率和额定电压；5. 设置电功率计的参数，选择功率测量功能，并调整量程；6. 开始记录电机在不同电压下的转速和功耗数据，每次测量前待电机稳定后记录数据；7. 按照实验要求，进行不同电压下的转速与功耗的测量。
数据处理与分析根据实验记录的数据，绘制电机空载损耗功率与电压的关系曲线图，并进行数据拟合。
通过拟合曲线，可以确定电机空载损耗功率与电压之间的函数关系。
根据实验测得的转速与功耗数据，计算得到电机的空载损耗功率。
根据所得结果进行讨论，分析转速和电压对电机空载损耗的影响。
实验结论1. 电机的空载损耗功率与电压之间呈线性关系，即电机空载损耗功率随电压的变化而变化；2. 电机的空载损耗功率与转速之间也存在一定的关系，但和电压的影响相比较小。
D设计分析esign and analysis 2019年第47卷第12期 姜华 扁铜线电机交流损耗的计算方法 32 收稿日期:2019-04-08扁铜线电机交流损耗的计算方法姜 华(上海大学,上海200135)摘 要:因集肤效应㊁邻近效应对扁铜线的影响,新能源汽车扁铜线电机的交流损耗计算越来越重要㊂扁铜线层数越来越多,单纯的2D模型仿真计算已经不能满足其精度要求,研究了一种利用外电路联合仿真的方法㊂仿真计算和样机实测对比结果表明,该方法能够满足工程应用要求㊂关键词:扁铜线电机;AC损耗;外电路;联合仿真中图分类号:TM303 文献标志码:A 文章编号:1004-7018(2019)12-0032-03Calculation of AC Loss of Hair-Pin Winding MotorJIANG Hua(Shanghai University,Shanghai200135,China)Abstract:Because of the influence of the skin effect and theproximity effect on the hair-pin winding,the calculation accuracy of the AC loss of the hair-pin winding motor of new energy vehicles becomes more and more important.With more and more layers of the hair-pin winding,the simple2D model can not meet the calculation accuracy requirements.A meth⁃od of joint simulation using external circuit was studied.The comparison between simulation and prototype showed that the method can meet the requirements of engineering application.Key words:hair-pin winding motor,AC loss,external circuit,joint simulation0 引 言对于新能源汽车来说,其驱动系统的核心就是驱动电机,驱动电机的性能优劣直接决定了新能源汽车性能好坏㊂随着新能源汽车的不断发展,新能源驱动电机呈现出向高功率㊁小体积㊁高转速方向发展㊂伴随电机工艺及设备的成熟,电机绕组由圆铜线设计逐渐向发卡式扁铜线绕组设计发展㊂发卡式扁铜线电机有以下优点:槽满率高,散热性好,绕组端部短,体积小㊂事物均有两面性,扁铜线电机也有一些缺点:集肤效应大,不利于系列化,对扁铜线漆膜要求高,对量产设备要求高㊂扁铜线电机在很多行业都有应用,如大功率异步电动机㊁矿山电机㊁风力发电机㊁火力发电机㊁大功率牵引电机㊁机车电机等㊂因为这些电机频率低,用基于等效电路的场计算方法能够满足工程应用㊂但随着新能源汽车电机频率的不断提高,基于等效电路的场计算方法完全不能满足其要求,单纯的2D有限元仿真计算方法已经不能准确计算其交流损耗[1]㊂因此,提高扁铜线电机绕组的交流损耗计算精度就显得尤为重要㊂本文以行业内最常用的ANSYS Maxwell仿真软件介绍扁铜线绕组交流损耗的计算方法㊂目前,行业内较准确的计算方法,是按照实物建立3D仿真模型,但3D仿真模型对计算机工作站配置性能要求高,计算时间长,对于一般工程应用来说不太适用㊂如果拥有小型的超级计算中心,那么方案的校核精确计算可以直接用3D模型完成㊂如何提高2D仿真模型的计算精度,以达到工程计算的要求,本文利用2D仿真模型和外电路的联合仿真方法实现交流损耗的计算㊂1 建立外电路用ANSYS RMxprt自动生成的2D模型,无论扁铜线绕组设置多少匝㊁多少根并绕,软件生成的都是等效两层的矩形导体,如图1所示,且导体类型均等效为 stranded”设置[2],如图2所示㊂图1 等效生成绕组2D 模型图2 绕组设置 直接利用ANSYS RMxprt生成的2D模型计算扁铜线交流损耗,当电源频率很低(f r≤50Hz)时,其准确性还能满足工程要求㊂但随着频率升高,负 2019年第47卷第12期D设计分析esign and analysis 姜 华 扁铜线电机交流损耗的计算方法33 载点的交流损耗计算精度越来越低,尤其是考虑控制器输出电源PWM 谐波含量时,交流损耗计算的精度完全不能满足工程要求㊂如果是两层绕组,且并联支路数a =1,将绕组类型设置更改成solid 后,可以提高其交流损耗的计算准确性㊂但需要注意的是,直接用ANSYS RMxprt 生成的2D 导体模型的长㊁宽尺寸与设计尺寸不相同㊂为了提高计算精度,直接在Maxwell 2D 中按设计尺寸建立绕组2D 模型㊂如果是多层扁铜线绕组,且并联支路数a ≥2时,直接用ANSYS RMxprt 自动生成的2D 模型即使将绕组设置改成solid 后,也不能准确地计算,因为ANSYS Maxwell 电源激励设置只能对一条并联支路进行电源设置㊂当2D 模型将每层绕组都按实物分布在槽中时(以激励为电压源㊁绕组为Y 接㊁并绕根数为2的4层绕组为例),等效模型如图3所示㊂图3 自建4层扁铜线绕组如果1层㊁2层绕组为独立的支路LA1,3层㊁4层绕组为独立的支路LA2,另外,B 相㊁C 相绕组以相同的规律分支路,此时需要利用外电路建立2D 模型㊂利用ANSYS Maxwell 直接建立外电路,如图4所示㊂图4 外电路模型只需要给每相绕组的电压源赋值,不需要单独给每条并绕根数组成的并绕支路(La1㊁La2)单独赋值,故联合外电路建立模型,如图5所示,该模型适图5 加电源谐波的外电路(以上电压源激励只添加了1倍和2倍开关频次PWM 谐波)用多根并绕的复杂绕组形式,或者多条并联支路数的仿真在需要考虑控制器PWM 谐波时,可以直接将电压源中各次谐波加入外电路激励中[3](为简化仿真,一般只添加幅值相对较大的电源谐波)㊂2 计算绕组端部AC /DC 电阻等效系数目前,Maxwell 2D 软件当绕组导体设置为solid时,只能对绕组直线部分进行损耗的有限元计算,对于绕组端部没有进行有限元仿真计算㊂绕组端部电阻值㊁端部电感值均是直接输入进行后处理计算,且输入的电阻值只是相应绕组温度下的直流电阻值,没有考虑扁铜线在不同频率下的交流电阻值㊂为了提高计算精度,在计算绕组总交流损耗时,绕组端部需要考虑交流损耗㊂在有㊁无铁心情况下,扁铜线绕组交流电阻系数相差很大,K bar ≫K end ,所以不能直接将直线部分的绕组交流电阻系数K bar 直接用于绕组端部的交流电阻系数K end ㊂绕组端部不用建立3D 端部模型计算,原因是3D 计算耗费时间太长㊂直接用绕组直线部分的2D模型等效计算绕组端部交流电阻随着频率变化的系数,此时的绕组模型只有电枢绕组,没有铁心㊂此种状态下与实物绕组端部在分相上是一样的,但空间分布不完全一样,通过理论计算与实测数据对比,这种等效计算方法能够满足工程应用要求㊂无铁心情况下扁铜线绕组2D 模型如图6所示(电枢绕组分相与实物一致)㊂图6 只保留绕组的2D 模型先计算扁铜线直线部分其直流电阻损耗,然后计算在不同频率下的交流电阻损耗,两者比值作为扁铜线电机端部绕组的AC /DC 电阻系数㊂扁铜线绕组端部AC /DC 电阻系数曲线如图7所示㊂图7 电枢绕组端部AC /DC 电阻系数3 仿真计算绕组总的AC 电阻损耗先计算出端部绕组的直流电阻值,然后通过端部绕组的等效AC /DC 电阻系数,计算出相应电源频 D设计分析esign and analysis 2019年第47卷第12期 姜 华 扁铜线电机交流损耗的计算方法 34 率下的绕组端部的每相交流电阻值,最后代入外电路R ac中进行联合仿真计算㊂因为Maxwell2D中,仿真结果中的solidloss只是扁铜线绕组直线部分的交流损耗值,故需后处理绕组的端部交流损耗值㊂即:p end=3I2rms R ac(1)式中:I rms为负载工况下的相电流有效值;R ac为负载工况下绕组端部的每相交流电阻㊂负载工况下整个扁铜线绕组的交流损耗等于端部绕组的交流损耗与直线部分的交流损耗之和㊂即:p ac=p end+p bar(2)式中:p bar为负载工况下绕组直线部分的交流损耗值,即仿真结果中绕组的solidloss㊂4 电机仿真和实测AC/DC电阻系数对比先计算出绕组直线部分的直流电阻R dc,然后在负载工况下仿真计算出相电流I rms,即可计算出直线部分直流电阻损耗值[4]:p bar=3I2rms R dc(3) 然后,计算负载工况下的直线部分交流损耗p bar,即可推出直线部分的AC/DC电阻系数㊂将绕组直线部分AC/DC电阻系数和端部AC/DC电阻系数按每相绕组直线部分和端部的长度之比,即可计算出整个绕组的AC/DC电阻系数㊂负载工况下(低频㊁中频㊁高频所对应的9个不同工况)仿真和实测对比结果如表1所示㊂通过仿真计算与实测数据的对比结果可以看出,仿真计算与实测结果偏差很小,最大相差7%㊂通过实验样机测试,电枢绕组温度为60℃时,得到电枢绕组在不同频率下AC/DC电阻系数,如图8所示㊂图8 60℃时实测AC/DC电阻系数表1 仿真和实测电枢绕组AC/DC电阻系数(60℃)转速n/(r㊃min-1)转矩T/(N㊃m)频率f/Hz仿真AC/DC电阻系数直线部分端部绕组实测绕组AC/DC电阻系数差值/%50017030.4 1.0098 1.0021 1.0058 1.0087-0.29 5006827.8 1.0094 1.0021 1.0021 1.0087-0.31 5001426.2 1.0096 1.0021 1.0056 1.0087-0.66 4610170236.1 1.3317 1.0964 1.2175 1.1830 2.91 461068233.3 1.3454 1.0964 1.2239 1.1830 3.346 461014233.3 1.3049 1.0963 1.2047 1.1830 1.83 1350055689.5 3.2664 1.4792 2.3550 2.19907.09 1350040683.5 3.1938 1.4791 2.3208 2.1990 5.54 1350010680 3.1676 1.4791 2.3084 2.1990 4.975 结 语对于发卡式扁铜线电机交流损耗的计算,此种利用ANSYS Maxwell2D仿真计算的方法能够在较短的时间内达到工程应用的要求㊂当然,如果需要更精确的模型校核计算,可以考虑建立3D模型,利用配置高的工作站校核计算㊂此方法可以加入电源部分PWM谐波进行仿真,但没有考虑电机参数对控制器PWM谐波的影响㊂如需考虑其影响,则需利用Simulink搭建控制器逆变电路进行联合仿真,并需要将控制器控制策略置入其中,目前对整个电机系统的联合仿真软件还不够成熟㊂参考文献[1] 唐任远.现代永磁电机理论与设计[M].1版.北京:机械工业出版社,1997.[2] 赵博,张洪亮.Ansoft12在工程电磁场中的应用[M].1版.北京:中国水利水电出版社,2010.[3] 黄俊,王兆安.电力电子变流技术[M].3版.北京:机械工业出版社,1994.[4] 陈世坤.电机设计[M].2版.北京:机械工业出版社,2000.作者简介::姜华(1984 ),男,硕士研究生,研究方向为特种电机及其控制系统㊂(上接第31页)[11] ZHU Z Q,HOWE D,BOLTE E,et al.Instantaneous magneticfield distribution in brushless permanent magnet dc motorspart1:Open-circuit field[J].IEEE Transactions on Magnetics,1993,29(1):124-135.[12] 詹琼华.开关磁阻电动机[M].武汉:华中理工大学出版社,1992.作者简介:周智庆(1979 ),男,讲师,研究方向为高性能电驱动系统,新能源以及智能机电一体化技术及其系统㊂。
车用扁铜线永磁同步电机绕组铜耗分析2. 浙江中车尚驰电气有限公司，浙江海宁 314400;3.湖南省新能源汽车电机工程技术研究中心，湖南株洲 412001）摘要：基于电机有限元仿真软件Maxwell对一台12极72槽的扁铜线永磁同步电机的绕组槽内分布对电机交流损耗的影响进行分析。
结果表明，扁铜线电机槽内导体集中上下层分布产生的交流损耗小于槽内导体交叉分布产生的交流损耗。
关键词：永磁同步电机；扁线绕组；交流铜耗0 引言永磁同步电机高功率密度、高效率等特点，在新能源汽车领域得到了大范围的应用。
在车载空间有限、消费者对车辆续航要求越来越高的情况下，汽车驱动电机向小型化、高功率密度、高效率方向化发展。
为了提高电机的功率、转矩密度，减小电机占用空间，扁铜线绕组永磁同步电机逐渐成为新能源汽车电机的研究热点。
与圆线电机相比，扁铜线电机具有更高的槽满率，绕组面积增加，直流损耗减小，有利于提高电机的运行效率。
但受到趋肤效应和邻近效应的影响，扁铜电机具有更高的交流损耗，电机绕组所处磁场频率越高，电机的交流损耗越大。
因此对扁铜线永磁电机的交流损耗研究成为重点[1-2]。
本文介绍了扁铜线电机常用的绕组类型，并根据不同的绕组类型分析了绕组不同层导体在槽内的排布，最后相同工况下计算了不同的排布方式对绕组交流损耗的影响。
1扁铜线绕组类别目前用于扁线电机上的绕组类型主要分为波绕组和叠绕组两类，叠绕组是将同一个主极下的导线串联在一起形成支路，波绕组则是将电机整个圆周上的同极性导线串联在一起形成支路。
对定子每槽导体数为偶的的扁铜线电机，槽内导体有多种叠放方式，其中有两种较为常用，第一种是相邻线圈奇数层和偶数层交叉叠放，另一种和传统圆线绕组相同，上下层叠放。
若槽内导体数量为8，对第一种线圈，1、3、5、7层导体属于线圈1，2、4、6、8层导体属于线圈2；对第二种线圈嵌放方式，1-4层导体属于线圈1，5-8层导体属于线圈二。
2电机铜耗分析电机的铜耗是电机损耗的主要组成部分之一，铜耗由直流损耗Pdc和交流损耗Pac组成[3-4]。
Power loss：这个名词，出现在11及之前的版本。
指的是感应电流对应的铜耗。
比如鼠笼式异步电机转子导条铜耗，永磁体涡流损耗等。
在12及更高版本中，该名词已更名为Solidloss。
Solidloss：如上解释，出现在12及更高版本中，指的是大块导体中感应电流产生的铜耗。
Coreloss：铁耗。
指的是根据硅钢片厂商提供的损耗曲线，求得的铁耗。
Ohmic_loss：感应电流产生的损耗的密度分布。
也就是Powerloss或Solidloss的密度。
Stranded Loss R：电压源（非外电路中的）对应的绞线铜耗。
Stranded Loss：电流源，外电路中的电压源或电流源，对应的绞线铜耗。
铜耗问题，阐述如下。
铜耗分为2部分，一是主动导体产生的，比如异步和同步电机定子绕组；二是被动导体产生的，比如鼠龙式异步电机转子导条。
主动导体一般是多股绞线（也就是stranded），被动导体一般是大块导体（solid）。
它们分别对应stranded loss(R)和solid loss。
主动导体损耗：需要设置导体为stranded，并施加电压源，电流源或外电路。
当施加的是电压源时，并且给定电机相电阻和端部漏电感（此处针对二维模型）值，则后处理中results/create transient report/retangular report/stranded loss R就是主动导体的损耗，比如异步或同步电机的定子铜耗。
当施加的是电流源，外电路中的电压源或电流源时，后处理中results/create transient report/retangular report/stranded loss就是主动导体的损耗。
建议选用电压源方法计算铜耗，因为电阻值是由用户指定的，而不是软件根据截面积和长度自动计算出来的，这样可以算得比较准确。
被动导体损耗：只需要给定被动导体的电导率，并且set eddy effect，则后处理中solidloss即是被动导体的损耗，比如鼠龙式异步电机转子导条。
• 80•针对高速永磁同步电动机绕组高频损耗严重，计算较困难的问题，本文利用Ansoft有限元分析软件建立了考虑趋肤效应和邻近效应的有限元模型，对不同供电频率、不同并绕根数以及通风槽口高度对交流损耗的影响进行了详细的分析：电流频率的增大会导致绕组交流损耗增大；多根并绕可以减小导体的集肤效应，但同时也增加了导体的临近效应，选择并绕根数是应综合考虑这两方面因素；适当的增大槽口高度可以有效的减小绕组的交流损耗。
1 引言高速永磁同步电动机具有效率高，功率密度大，体积小、重量轻等优点，在电驱动领域和运动控制等方面有着广泛的应用前景。
在电机绕组中，由于集肤效应和邻近效应的作用，使得导体内部电流密度分布不均，产生附加铜耗。
但由于高速永磁同步电动机工作频率高，电机绕组中电流的集肤效应和邻近效应非常严重，造成电机绕组铜耗增大，给体积小，原本散热就较困难的高速电机增加了散热负担。
故在电机设计及优化时，有必要准确的预测电机定子绕组中的交流损耗（Xi Nan，Charles R.Sullivan.An improved calculation of proximity-effect loss in high-frequency windings of round conductors.PESC,2003；江善林，高速永磁同步电机的损耗分析与温度场计算：哈尔滨工业大学，2010；P.B.Reddy，Z.Q.Zhu，Seok-Hee Han，T.M.Jahns.Strand-Level proximity losses in PM ma-chines designed for high-speed operation(C).Proceedings of the IEEE on electrical machines，2008；倪光正，工程电磁场原理：高等教育出版社，2002）。
本文重点研究了高速永磁同步电机定子绕组在高频时趋肤效应和邻近效应影响下的交流损耗，利用Ansoft有限元分析软件建立了考虑趋肤效应和邻近效应的二维有限元模型，建立了每根导体的模型，研究了不同供电频率、不同绕组并联根数以及不同槽内通风道高度对电机绕组高频下的交流损耗的影响，分析了如何在设计电机的过程中尽可能的减小电机绕组的交流损耗。
考虑到最近很多人在问这个问题，因此专门整理出来，供新手参考。
先谈一下什么情况下需要做铁耗分析。
对常规交流电机（同步或者异步电机），只有定子铁心才会产生铁耗，转子铁心是没有铁耗的，学过电机的人都明白的。
因此，只需要对定子铁心给出B-P曲线（也就是铁损曲线）。
注意，B-P 曲线分为单频和多频两种，能给出多频损耗曲线最好，这样maxwell算得准些。
设置完铁损曲线以后，还要记得在excitations/set core loss，对定子铁心勾选才行。
此时，不需要给定子和转子铁心再施加电导率，这是初学者容易忽视的问题。
后处理中，通过result/create transient reports/core loss查看铁耗随时间变化曲线。
再谈一下什么情况下需要做涡流损耗分析。
对永磁电机，永磁体受空间高次谐波的影响，会在表面产生涡流损耗；对实心转子电机，由于是大块导体，因此涡流损耗占绝大部分。
以上两种情况需要考虑做涡流损耗分析。
现以永磁电机为例，具体阐述。
对永磁体设置电导率，然后对每个永磁体分别施加零电流激励源，在excitations/set eddy effect，对永磁体勾选。
注意，若只考虑永磁体的涡流损耗，而不考虑电机其他部分（定转子铁心）的涡流损耗，则只需要给永磁体赋予电导率值，其他部件不需要赋电导率，这是初学者容易搞错的地方。
简而言之，只对需要考虑涡流损耗的部件，施加电导率，零电流激励和set eddy effect。
后处理中，通过results/create transient reports/retangular report/solid loss查看涡流损耗随时间变化曲线。
最后，再次强调一下，做涡流损耗分析，需要skin depth based refinement 网格剖分才行。
以上方法，适用于Ansoft maxwell 13.0.0及以上版本，并适用于所有电机种类。
一、MAXWELL分析磁场时，电气设备或电气元件（无论是电机还是变压器）主要包括两个部分，一个是励磁线圈，另外一个是磁性材料。
