永磁同步電機(jī)鐵心損耗與暫態(tài)溫度場(chǎng)研究.pdf

1、永磁同步電機(jī)(PMSM)系統(tǒng)以其良好的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性以及低噪音、高效率、寬范圍調(diào)速等諸多優(yōu)點(diǎn)，在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著PMSM技術(shù)的不斷發(fā)展，其內(nèi)部許多問(wèn)題需要進(jìn)一步研究，如PMSM定子鐵心損耗問(wèn)題、永磁體內(nèi)渦流損耗問(wèn)題、特定工況下瞬態(tài)溫升問(wèn)題、PMSM設(shè)計(jì)參數(shù)的合理選擇及損耗分配問(wèn)題等等。這些問(wèn)題的深入研究對(duì)PMSM的性能提高及優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的意義。
　　PMSM定子鐵心損耗計(jì)算是否準(zhǔn)確不僅直接影響著電機(jī)性能的準(zhǔn)確分

2、析，而且影響著其溫升問(wèn)題的進(jìn)一步研究。PMSM的極槽配合關(guān)系對(duì)其鐵心損耗有很大的影響。為了準(zhǔn)確地計(jì)算PMSM定子鐵心損耗，本文基于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的正交等效分析，給出了一種綜合考慮PMSM旋轉(zhuǎn)與交變磁場(chǎng)的鐵心損耗計(jì)算方法——橢圓法。該方法較傳統(tǒng)的諧波平衡分析法計(jì)算鐵心損耗更接近于鐵耗實(shí)測(cè)值。采用橢圓法及諧波平衡分析法計(jì)算定子鐵心損耗，不僅需要確定鐵心各剖分單元磁密波形，而且需要傅立葉分析及復(fù)雜的后處理計(jì)算，不利于電機(jī)生產(chǎn)廠進(jìn)行電機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的鐵耗估

3、算。因此，本文提出了場(chǎng)與傳統(tǒng)公式相結(jié)合的PMSM鐵心損耗計(jì)算方法，其計(jì)算值與鐵耗實(shí)測(cè)值也較為接近。另外，以鐵心損耗數(shù)值計(jì)算為基礎(chǔ)，研究了PMSM負(fù)載電流及電流超前與滯后反電勢(shì)控制方式對(duì)其定子鐵心損耗的影響，為PMSM控制策略的選擇提供了依據(jù)。
　　PMSM永磁體內(nèi)的渦流損耗計(jì)算是PMSM設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵性問(wèn)題。永磁體渦流損耗會(huì)使永磁體溫度升高，磁性能改變，從而影響電機(jī)的運(yùn)行性能。雖然，現(xiàn)階段對(duì)PMSM轉(zhuǎn)子及其永磁體內(nèi)的渦流損耗有所

4、研究，但大多數(shù)只停留在高速電機(jī)的層面上。本文分析了PMSM永磁體內(nèi)渦流損耗的產(chǎn)生機(jī)理，指出了低速空載運(yùn)行條件下，采用近槽配合及槽開(kāi)口較大的PMSM永磁體內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生較大的渦流損耗。采用有限元數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)一步計(jì)算了空載與負(fù)載工況下的PMSM永磁體內(nèi)渦流損耗，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。說(shuō)明了極槽配合、永磁體形狀、定子槽口尺寸等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)永磁體內(nèi)的渦流損耗具有一定影響，但極槽配合與槽口尺寸是影響磁極內(nèi)渦流損耗的主要因素。采用分塊拼裝式磁極結(jié)

5、構(gòu)可有效地抑制PMSM永磁體內(nèi)的渦流損耗。
　　PMSM溫度升高會(huì)影響電機(jī)的工作性能，也將直接影響到電機(jī)的使用壽命和運(yùn)行的可靠性，所以對(duì)永磁電機(jī)的溫度場(chǎng)計(jì)算十分重要。本文根據(jù)傳熱學(xué)與空氣動(dòng)力學(xué)理論，以熱傳導(dǎo)方式等效處理了電機(jī)定、轉(zhuǎn)子與氣隙之間復(fù)雜的對(duì)流散熱過(guò)程，建立了PMSM電磁穩(wěn)態(tài)運(yùn)行條件下的定、轉(zhuǎn)子全域三維暫態(tài)溫度場(chǎng)計(jì)算模型，給出了求解域內(nèi)的基本假設(shè)及相應(yīng)的邊界條件，解決了定轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)相關(guān)聯(lián)問(wèn)題。提出了繞組銅耗時(shí)變熱源及定子鐵

6、耗熱源空間離散加載方法。該方法更能真實(shí)地反映出電機(jī)工作時(shí)溫升情況。PMSM定子鐵心損耗及永磁體渦流損耗是引起電機(jī)發(fā)熱的主要原因之一，是否考慮定子鐵心損耗及其不均勻分布對(duì)電機(jī)定子溫度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果具有一定影響。定子槽口寬度變化所引起的永磁體渦流損耗變化對(duì)轉(zhuǎn)子溫度場(chǎng)的影響較大，因此，在實(shí)際計(jì)算中此部分損耗要盡可能計(jì)算準(zhǔn)確。本文首次采用了序慣耦合法對(duì)電機(jī)的短時(shí)過(guò)載能力進(jìn)行計(jì)算分析，能夠更好地指導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)，并為電機(jī)過(guò)載工作時(shí)的熱狀態(tài)預(yù)估提供了前提條