永磁同步电机永磁体涡流损耗计算与研究解读

电机定转子铁耗、铜耗以及永磁体涡流损耗-概述说明以及解释1.引言1.1 概述:电机定转子铁耗、铜耗以及永磁体涡流损耗在电机运行中扮演着重要的角色。

这些损耗是电机运转过程中不可避免的，在一定程度上影响着电机的效率和性能。

电机定转子铁耗指的是电机铁芯在磁场变化中产生的磁滞损耗和涡流损耗，铜耗则是指电机中导电线圈内通电产生的电阻损耗，而永磁体涡流损耗则是永磁体在磁场中运转时产生的涡流损耗。

本文将重点探讨电机定转子铁耗、铜耗以及永磁体涡流损耗对电机性能的影响及其优化方法，为电机设计和运行提供理论指导和技术支持。

通过深入研究这些损耗机制，可以更好地理解电机能量转换过程中的能耗和效率问题，为推动电机技术的发展和提升电机性能做出贡献。

1.2 文章结构:本文将分为三个部分来探讨电机定转子铁耗、铜耗以及永磁体涡流损耗。

在第一部分引言中，将概述本文内容，介绍文章结构以及明确研究目的。

接下来的第二部分将详细讨论电机定转子铁耗、铜耗和永磁体涡流损耗的相关信息，分别进行深入分析。

最后在结论部分，将总结本文的主要观点，分析影响这些损耗的因素，并展望未来在减少电机损耗方面的研究方向。

通过这样的结构安排，我们希望能够全面、系统地探讨电机损耗问题，为相关领域的研究和实践提供一定的参考。

1.3 目的本文的目的是通过深入探讨电机定转子铁耗、铜耗以及永磁体涡流损耗的相关知识，揭示它们在电机运行中的重要性和影响因素。

通过对这些损耗的分析，我们可以更好地理解电机的运行机理，优化设计方案，提高电机的效率和性能。

同时，本文也旨在为相关领域的研究者和工程师提供有益的参考和指导，促进电机技术领域的发展和创新。

2.正文2.1 电机定转子铁耗电机定转子铁耗是电机运行过程中不可避免的损失，它主要包括磁滞损耗和涡流损耗两部分。

磁滞损耗是由于磁场的磁化和去磁过程中原子、分子在磁场中的定向运动导致的能量损耗，而涡流损耗则是由于磁场的变化引起导体中感应出的电流产生的能量损耗。

• 28•永磁体在高速旋转下，难以承受巨大的离心力，必须对永磁体采取保护措施，目前最常用的两种保护措施是碳纤维捆扎永磁体和永磁体外加合金保护套，同时保护措施又会增加空间和时间谐波在转子中的涡流损耗，给高速永磁电机散热带来较大的困难，造成电机转子温升过高、永磁体发生不可逆退磁的后果，针对以上问题，本文基于一台高速永磁电机，把保护套分为两层，设计了5种方案，采用2D时步有限元法进行了比较与分析，并研究了铜屏蔽层厚度对两种保护措施下转子涡流损耗的影响。

1 引言高速电机具有效率高、功率密度大、体积小、特别是可以省去增速箱等诸多优点，已经成为近年来的国内外研究热点，国外对高速电机的研究较早，功率范围已经到达几兆瓦甚至几十兆瓦，我国对高速电机的研究大都停留在几十千瓦以下的小功率阶段（周凤争，高速永磁无刷直流电机转子涡流损耗的研究：浙江大学，2008；周凤争，沈建新，王凯，转子结构对高速无刷电机转子涡流损耗的影响：浙江大学学报:工学版，2008；周凤争，田占元，祝长生，等.飞轮储能用高速永磁电机转子的涡流损耗：浙江大学学报:工学版，2011）。

永磁电机采用烧结钕铁硼永磁材料，在高速旋转情况下，永磁体难以承受巨大离心力，必须对永磁体采取保护措施，目前最常用的保护措施一种是采用碳纤维绑扎永磁体，另外一种是在永磁体外面加一高强度非导磁合金保护套（Sh-uangxia Niu，S.L.Ho，W.N.Fu，et al.Eddy current reduction in high-speed machines and eddy current loss analysis with multislice time-stepping finite-element method：IEEE Trans-actions on Magnetics，2012；Etemadrezaei M，Wolmarans J J，Polinder H，et al.Precise calculation and optimization of rotor eddy cur-rent losses in high speed permanent magnet ma-chine：International Conference on Electrical Machines，2012；沈建新，郝鹤，袁承，高速永磁无刷电机转子护套周向开槽的有限元高速永磁电机转子涡流损耗分析杜光辉西安中车永电捷力风能有限公司 中车永济电机有限公司 黄 娜 西安工分析：中国电机工程学报，2012）。

密级：内部高速电主轴永磁同步电机永磁体涡流损耗计算研究The calculation and analysis ofhigh-speed spindle permanent magnet motor eddy current losses in the permanent magnet学院：电气工程学院专业班级：电气工程及其自动化0903班学号：学生姓名：指导教师：（副教授）2013 年 6 月摘要永磁同步电机是由永磁体建立励磁磁场的同步电机，电机结构较为简单，降低了加工和装配费用，提高了电机运行的可靠性；又因无需励磁电流，省去了励磁损耗，提高了电机的效率和功率密度。

当外磁场发生变化时，永磁体就会产生涡流导致发热。

因此，很有必要对转子永磁体内的涡流进行计算和分析，并采取相应的解决办法。

本文主要运用了有限元软件对高速电主轴永磁电机永磁体的涡流损耗进行分析，以得到永磁体涡流损耗的大小和分布规律，并研究永磁体涡流损耗的影响因素，从而为减小永磁体涡流损耗提供依据。

首先建立高速电主轴永磁电机有限元模型，对模型进行激励源加载和剖分，为涡流损耗的分析奠定基础；然后采用上述模型，计算得到永磁体内涡流损耗的大小和分布；分析正弦波供电和变频器供电下永磁体涡流损耗的特点；最后着重研究不同极槽数、转子磁路结构对永磁体涡流损耗的影响，提出减小涡流损耗的措施，为提高电机性能奠定基础。

针对永磁同步电机自身的特点，通过二维电磁场有限元方法分别求解了空载时和负载时电机永磁体内的涡流。

采用了瞬态分析，根据瞬态计算出的数据绘出了涡流损耗波形，并得出永磁体内的涡流损耗分布图。

最后通过分析波形得出了影响永磁体内涡流的因素以及应采取的措施。

关键词：永磁同步电机；永磁体；涡流损耗；有限元法IAbstractBecause of the magnetic field which is built by permanent magnet, permanent magnet synchronous motor (PMSM) has simplified structure and low cost for its machining and installation. Besides, the operational reliability has also been improved. Benefiting from the absence of the exciting current and the excitation loss, the efficiency and the power density have increased.. The eddy current induced in permanent magnet often lead to heat when the external magnetic field is time-varying. So it is necessary to calculate and analyze the eddy current in rotor and to find solutions.The paper mainly uses the finite element analysis software to analyze high-speed spindle permanent magnet motor eddy current losses in the permanent magnet , so that to get the value and distribution of it. The same time it can study the factors of eddy current loss in the permanent magnet , so as to provide the basis for reducing the eddy current loss.Firstly, finite element model of the high-speed spindle permanent magnet motor is founded , and the model would be load the excitation source and split , all are laying the foundation for the analysis of eddy current loss ; Then using the above model ,to calculate the value and distribution of eddy current loss in the permanent magnet; characteristics of eddy current loss the permanent magnet under the sine wave power and inverter power is analyzed later; finally focusing on different poles number of slots, the structure of rotor magnetic circuit affect the eddy current loss in the permanent magnet , and take the measures to reduce eddy current loss , to lay the foundation for improving motor performance.Based on the actual structure of disc type permanent magnet synchronous machines, the magnet field of the machine and the eddy current in the rotor are solved by two-dimensional finite element method (FEM). The calculation is carried out under the condition of load and no-load, respectively. It includes the eddy current caused by the teeth of the stator and the different eddy currents under different running speed conditions. After solution, the magnetic vector potential waveformsIIand the eddy current waveforms are drawn according to the result data, and distribution figures of the eddy current losses are also obtained. Some influencing factors on the eddy current in the permanent magnet are concluded. Some effective measures are taken according to the analysis of the waveforms.Keywords: permanent magnet motor；permanent magnets；eddy current loss；finite element methodIII目录摘要 (I)Abstract (II)第1章绪论 (1)1.1高速电主轴永磁同步电机国内外发展状况 (1)1.2 永磁体涡流损耗的研究现状 (3)1.3 本课题研究意义及内容 (5)1.3.1 本课题研究的意义 (5)1.3.2 本课题研究的内容 (5)第2章永磁电机转子永磁体内的瞬态场及其分析方法 (7)2.1 电机电磁场的基本理论依据 (7)2.1.1 电机电磁场的数理基础 (7)2.1.2 边界条件的类型及处理方法 (8)2.2 二维瞬态场分析的特点及其数学模型的建立 (9)2.3 高速永磁同步电机永磁体内瞬态场的求解 (12)2.3.1 求解电机电磁场问题的数学方法 (12)2.3.2 分析涡流场的具体方法 (14)第3章高速永磁同步电机永磁体内涡流损耗的计算分析 (15)3.1 永磁体涡流损耗的有限元计算分析 (15)3.1.1 转子内永磁体涡流损耗的计算 (16)3.1.2 空载情况下永磁体涡流损耗的计算与分析 (16)3.1.3 负载情况下永磁体涡流损耗的计算与分析 (19)3.1.4 不同极槽配合永磁体涡流损耗对比分析 (21)3.2 本章小结 (23)第4章分析永磁体涡流损耗对永磁电机性能影响 (25)4.1 永磁体涡流损耗的影响因素 (25)4.2 减小永磁体涡流损耗的措施 (27)第5章总结 (29)参考文献 (31)致谢 (34)I第1章绪论1.1高速电主轴永磁同步电机国内外发展状况永磁电机具有节能高效、结构简单等一系列优点，在当今世界能源短缺的情况下，备受国内外专家学者和业内人士的普遍关注，是电机行业发展中的热点话题，其应用领域也正在不断地扩展。

100kW 永磁风力发电机设计及永磁体涡流损耗计算分析直驱式永磁风力发电机具有质量轻、效率高、噪声小、维修成本低和运行可靠等优点,在风电市场中正占有越来越大的份额。

提高作为核心部分的风力发电机设计技术成为科研人员面临的重大任务。

同时传统永磁电机设计中对转子的散热考虑较少,这加剧了永磁体退磁的可能性。

因此论文对永磁体内的涡流损耗有较深入的分析。

论文的主要内容包括：第一,分析了产生永磁体涡流损耗的原因,推导了带极靴表面式结构电机的气隙比磁导解析表达式。

在谐波理论基础上结合有限元计算结果分析了定子磁动势空间谐波的含量。

总结了计算永磁体涡流损耗的具体方法。

最后运用有限元计算总结了槽口尺寸、气隙长度、极弧因数、电流波形畸变率和不同极槽配合对永磁体涡流损耗的影响,得出：槽口尺寸、气隙长度、极弧因数、电流波形畸变率和不同极槽配合对永磁体涡流损耗的影响都很大,其中电流波形畸变率对永磁体涡流损耗影响最大；对于40极42槽、40极45槽和40极48槽三种极槽配合,由于40极42槽、40极45槽偶次空间谐波的作用永磁体涡流损耗相对较大。

第二,设计了一台额定功率为100kW、额定转速为100r/min、效率为94%的径向磁通永磁同步风力发电机。

首先对不同极槽配合方案进行对比分析,确定40极45槽为综合性能最优的极槽配合。

然后结合电磁场计算,分析了主要尺寸比对有效材料使用量的影响,得出：有效材料使用量随主要尺寸比的增加而增加,当主要尺寸比λ不小于6.16时有效材料用量增加的幅度较大；分析了永磁体尺寸对电抗参数、空载电动势、固有电压调整率及齿槽转矩的影响,对确定尺寸进行电机三相突然短路仿真,发现永磁体未发生不可逆退磁；分析了槽高与槽宽比对定子铜耗和铁耗分布的影响,得出：当保证槽面积不变,改变槽高与槽宽比时,铁耗随槽高与槽宽比的变化曲线会出现一个拐点使铁耗不再减小。

最后通过电磁场计算及实验验证了设计的合理性。

125中国设备工程Engineer ing hina C P l ant中国设备工程 2020.03 （上）1 涡流损耗的概念所谓涡流损耗，一般来讲就是导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体内产生的电流导致的能量损耗。

在永磁同步电机中，由于转子与定子磁场同步旋转，常忽略转子的涡流损耗。

实际上，定子齿槽效应，绕组磁动势的非正选分布和绕组中的谐波电流所产生的谐波磁动势也会在转子永磁体、转子呃中引起涡流损耗，本文重点讨论转子永磁体上所产生的涡流损耗。

2 涡流损耗产生的理论分析在永磁同步电机中所含的磁场一般由三部分组成，即电枢绕组所产生合成磁动势，永磁体所产生的永磁磁场和气息中由电枢绕组和永磁体所产生的合成磁场。

考虑节距，分布和斜槽因数后，假设每项绕组有效砸数为，则每极下各项磁动势关于空间角位置θ的关系为：定子合成磁动势为各项磁动势之和，将上式叠加整理可得：（1）由式（1）可得，当时间0t=时，，当时间1t t =时，，把这两个磁动势波画出来比较可见磁动势的幅值没有变，只是F S1比F S2向前推进了一个角度β，，随着β角的增大，磁动势波布段的移动，所以s F 时一个恒幅，正选分布的一个正向行波，由于定子内腔为圆柱形，所以s F 实质上是一个沿浅谈高速永磁同步电机的涡流损耗苏兴彪1，贺方志2 （1.曲阜师范大学；2.山东港口日照港集装箱发展有限公司，山东 日照 276800）摘要：电机是一种能量转化的装置，电动机是把电能转化为机械能的装置，发电机就是把机械能转化为电能的装置。

然而，在每种转化过程种，都会有一定的损耗。

电机在运行过程中产生的损耗大致可以分为铁损、铜损、涡流损耗。

随着新能源汽车的发展以及新型永磁材料和电力电子技术的发展，对永磁电机的要求越来越高，低损耗、高功率的电机设计成了每个电机设计者的追求，本文主要内容为槽极配合减小涡流损耗。

关键词：永磁；电机；涡流损耗中图分类号：TM341 文献标识码：A 文章编号：1671-0711（2020）03（上）-0125-02着气息圆周连续推移的旋转磁动势波，sF 的推移速度，可从波上任意一点的推移速度来确定，对于幅值这一点，其振幅恒为，式（1）中（2）把上式求导，可以求出幅值的推移角速度（3）式（3）表明磁动势推进的角速度和交流电电流的角频率相等，由于一转等于p·2pi 的点弧度，所以用转速表示旋转磁动势的转速n应为即恰好等于同步转速。

永磁同步电机永磁体涡流损耗快速计算方法探究在永磁同步电机中，永磁体涡流损耗是影响机器效率和寿命的重要因素之一。

为了快速准确地计算永磁体涡流损耗，本文提出了一种基于模态分析和有限元法的计算方法。

起首通过模态分析，成功地将永磁体涡流损耗问题转化为电磁场分析问题，并利用有限元法求解。

通过对不同永磁体结构的计算分析，可以得到永磁体涡流损耗与永磁体厚度、永磁体间隙、永磁体长度等因素的干系规律。

最后，基于上述探究，提出了一种好用的永磁体涡流损耗计算模型。

关键词：永磁同步电机；永磁体涡流损耗；模态分析；有限元法；计算模型AbstractIn the Permanent Magnet Synchronous Motor (PMSM), Permanent Magnet (PM) eddy current loss is one of the important factors affecting machine efficiency and life. In order to calculate the PM eddy current loss accurately and quickly, this paper proposes a calculation method based on modal analysis and finite element method. Firstly, the PM eddy current lossproblem is successfully transformed into an electromagnetic field analysis problem through modal analysis, and solved by the finite element method. By analyzing the calculation of different PM structures, the relationship between the PM eddy current loss and factors such as PM thickness, PM gap, and PM lengthcan be obtained. Finally, based on the above research, a practical PM eddy current loss calculation model is proposed.Keywords: Permanent Magnet Synchronous Motor; Permanent Magnet Eddy Current Loss; Modal Analysis; Finite Element Method; Calculation Model1. 引言永磁同步电机由于其高效、低噪音、低震动等优点，在工业和民用领域得到了广泛应用。

第13卷 第1期2009年1月电 机 与 控 制 学 报ELE CTR IC M ACH I NE S AND CONTRO LVo l 113N o 11Jan.2009表贴式永磁同步电机转子涡流损耗解析计算徐永向, 胡建辉, 邹继斌(哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院,黑龙江哈尔滨150001)摘 要:针对谐波电流引起的转子涡流损耗在某些表贴式永磁同步电机中可能会引起很高的温升的问题,研究了一种永磁同步电机转子涡流损耗的解析计算方法,该方法考虑了转子电枢反应和电机有限长的影响。

在二维直角坐标系下,建立电磁场方程,通过对电磁场方程的解析求解得到转子涡流损耗的解析表达式。

通过一个端部系数来等效电机有限长的影响。

针对转子涡流损耗测量困难的问题,采用了一种能准确分离出转子涡流损耗的间接测量方法。

实验结果表明所提出的解析计算方法可行。

关键词:表贴式永磁同步电机;涡流损耗;解析计算;谐波电流中图分类号:TM 351文献标识码:A文章编号:1007-449X (2009)01-0063-04Analytical calcul ation of rot or eddy current losses ofs urface -mounted P M S MXU Yong -x iang , HU Jian -hu,i ZOU J-i b i n(Schoo l o f E lectr ica l Eng i neer i ng and A utoma ti on ,H a rbin Institute o f T echno l ogy ,H arbi n 150001,Ch i na)Abst ract :Rotor eddy current losses induced by the har monic currents m ay be sign ificant i n so m e k i n ds o f per m anent m agnet synchronous m ach i n es (P M S M ),w hich m ay cause over hea t and l e ad to failure .This paper presents an ana l y tica lm et h od for calcu lati n g the eddy current losses ,taking t h e i n fluence o f the ro -to r eddy current reaction and t h e fi n ite ax ial length of the r o tor i n to consi d eration .The analytica l expres -si o n for the roto r eddy current l o sses w as derived fro m the e lectro m agneti c equati o n i n rectangu lar coord-i nate syste m.An end coeffic i e n t i n so lid -r o tor i n ducti o n m otors w as used to account for the i n fl u ence o f the fi n ite length o fm agnets .Because itw as d ifficu lt to directly m easure the rotor eddy curren t losses ,an in -d irectm ethod w as adopted to m easure the losses .Experi m enta l results sho w that the proposed ana l y tica l calculati o n m e t h od is feasi b le .K ey w ords :surface -m ounted P M S M;eddy current losses ;analytical calcu lati o n ;har m on ic current收稿日期:2008-05-01基金项目:中国博士后科学基金资助项目(20060400817);哈尔滨工业大学优秀青年教师培养计划资助项目(H I TQN J S .2007.020);/八六三0计划资助项目(2007AA09Z214)作者简介:徐永向(1977-),男,博士,副教授,研究方向为永磁电机设计与控制;胡建辉(1775-),男,博士,讲师,研究方向为无刷直流电机与控制;邹继斌(1957-),男,博士,教授,博士生导师,研究方向为一体化电机。

微电机MICROMOTORSVoo.53. No. 11Noe.2020第53卷第11期2020年 11月高速永磁电机转子涡流损耗解析计算徐广人，万德鑫，张超，王晓宇（沈阳工业大学国永磁电机工程技术研究中心，沈阳110870）摘 要：高速永磁同步电机采用变频器供电含有大量谐波、频率高等特点导致转子涡流损耗升高，从而使电机温度上升，给 ， 电机效率、永磁体性能等 ％针表 永磁电机， 子涡流损耗的解析计算，该方法在极坐标系下建立 型， 气隙 、护套、永磁体等子域，并为了提 型的计算精度，考虑了涡流反应影响和定子的开槽效应。

以一台15 kW 表贴式高速永磁电机为例，采用正弦波供电和PWM 供电两种供电方式，分析气隙、宽度以及护套子涡流损耗的 ％将析法的计算结果和有限元法结果进行比较，验证解析方法的 性。

关键词：表永磁电机；转子涡流损耗；解析法；有限元中图分类号：TM351 文献标志码：A文章编号：1001-6848（2020）11-0025-06Analytical Calculation of Eddy Current Loss is High-speen PermaneetMagnet MotorXUGuangten ， WANDexcn ， ZHANGChao ， WANGXcaoyu( NarnonaeEngnn e inng Reieaith CenreiBoiREPM EeetrintaeMathnne ， Shenyang UnneeiinryoBTethnoeogy ，Shenyang 110870， Chnna )Abstract : High speed permanent mdgne machines uses frequency conveaee to suppO powee ，which contains aoatgenumbetolhatmonccsand hcgh ltequencU ， oeadcngtothecncteaseoltototeddUcu t entoo s ， whcch makes themotottempetatutetcse ， btcngsdc l ccuotcestoheatdc s cpatcon ， and a l ectsthemotote l cccencU ， petmanentmagnetpetlotmanceand othetcndccatots.Fotsutlace-mounted hcgh-speed petmanentmagnetmotots ， theana- otccaocaocuoatcon oltototeddUcu t entoo s wasdetceed.Thcsmethod estabocshed thepo- oatcootdcnatesUstem ， conscdetcngtheactgap oength ， sheath ， petmanentmagnetand othetsubdomacns ， and cn otdettocmptoeethecaocuoatcon accutacUolthemodeo.ThecnlouenceoleddUcu t entteactcon and thesoo t cngeffeci of the statoe were consigered. Taking a 15kW meter mounted high speed permanent maenel eectac mo-totasan exampoe ， thecnlouenGeolactgap oength ， sootopencngwcdth and sheath matetcaoon tototeddyGu t ent oo s wasanaoyeed byuscngscnewaeepowetsuppoyand PWM powetsuppoy.ThetesuotsolanaoytcaomethodweteGompated wcth thoseollcncteeoementmethod toeetclytheaGGutaGyolanaoytcaomethod.Key wordt : sutlaGehcgh-speed petmanentmotot ； tototeddyGu t entoo s ； anaoytcaoGaouoatcon ； FEMo 引言电机具独特优点： 的 密度、效率高；电机体积小于电机，可以效的节 节省空间；电机的 量， 应 ；可与 负载直接相连，减系提高系 效率[1]%基于 电机收稿日期：2020 09—23作者简介： （1995）,男，硕士研究生，研究方向为电机及其控制。