PWM逆變器供電下非晶永磁電機(jī)的損耗分析

朱龍飛，于慎波，韓雪巖，朱建國

(1.沈陽工業(yè)大學(xué)，沈陽 110870；2. 悉尼科技大學(xué) 電氣機(jī)械和機(jī)電系統(tǒng)學(xué)院， 新南威爾士州 悉尼 2007)

0 引 言

非晶合金材料具有單片薄(單片厚度僅為0.03mm)、電阻率大(約為傳統(tǒng)35W270冷軋硅鋼片的3倍)等優(yōu)點，其渦流損耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)硅鋼片材料，利用非晶合金材料代替硅鋼片材料制造電機(jī)鐵心可有效降低電機(jī)的鐵心損耗。但非晶合金材料同時存在兩個嚴(yán)重缺點，從而一定程度上限制了其在電機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用：(1)非晶合金材料損耗性能受加工影響嚴(yán)重，加工后非晶合金鐵心的損耗遠(yuǎn)高于帶材[1-2]；(2)非晶合金材料飽和磁導(dǎo)率和疊壓系數(shù)均低于硅鋼片材料，從而導(dǎo)致非晶合金電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式和各部分損耗之間的比例關(guān)系不同于硅鋼片電機(jī)[3-4]。

基于上述問題，本文利用有限元方法分析一臺表貼式非晶合金永磁電機(jī)在PWM逆變器供電情況下的損耗，得出損耗分布規(guī)律，并利用實驗對分析結(jié)果進(jìn)行驗證。

1 非晶永磁電機(jī)損耗計算方法

1.1 考慮加工影響的定子鐵心損耗計算方法

工程上較為常用的傳統(tǒng)鐵心損耗計算方法如式(1)所示，但該方法僅用于計算電工鋼片帶材在正弦交變磁化情況下的鐵耗，無法計及加工、旋轉(zhuǎn)磁化、諧波等因素的影響。但是在計算非晶合金電機(jī)鐵耗時，忽略加工的影響將會使計算結(jié)果存在嚴(yán)重的偏差[5]。因此，本文根據(jù)文獻(xiàn)[5]中實測的非晶合金鐵心損耗數(shù)據(jù)，利用非線性擬合方法直接分析得出式(1)中考慮加工影響的非晶合金定子鐵心相關(guān)損耗系數(shù)，如表1所示。

(1)

式中，pFe為鐵心損耗密度，W/kg；ph為磁滯損耗，W/kg；pe為渦流損耗，W/kg；Bm為磁通密度幅值，T；f為鐵心磁密變化頻率，Hz；kh、α為磁滯損耗系數(shù)，ke為渦流損耗系數(shù)。

表1 非晶合金鐵心損耗計算公式系數(shù)

由于本文中的非晶合金鐵心損耗曲線是在正弦交變磁化情況下測量的，而對于鐵心軛部旋轉(zhuǎn)磁化相對于齒部交變磁化引起的損耗差異，朱建國教授利用旋轉(zhuǎn)磁化測量儀器對硅鋼片在旋轉(zhuǎn)磁化條件下的損耗進(jìn)行了測量。在大量實驗數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，利用非線性擬合的方法建立了旋轉(zhuǎn)磁化模型[6]，并提出了考慮旋轉(zhuǎn)磁化的鐵心損耗計算方法，實驗證明該方法具有較高計算精度[7]。但該旋轉(zhuǎn)磁化測量儀器十分稀有，實驗成本較高，很難被廣泛應(yīng)用。B.Stumberger等人提出了正交分解的旋轉(zhuǎn)磁化鐵耗等效計算方法[8]，由于其計算簡便且誤差可以滿足工程精度的要求，得到了廣泛的應(yīng)用。對于由諧波引起的鐵耗增量，通常采用的方法是將鐵心中的非正弦磁密波形傅里葉分解成基波和各次諧波形式，并分別將基波和各次諧波磁密幅值和相應(yīng)的頻率代入到式(2)中計算后代數(shù)相加[9-10]。由此，基于上述損耗計算方法，計及加工、旋轉(zhuǎn)磁化、諧波因素影響的非晶合金定子鐵心損耗計算模型為

(2)

式中，ρA為非晶合金材料密度，kg/m3；v為定子鐵心磁密諧波次數(shù)；Bvr和Bvθ分別為v次諧波徑向和切向磁密分量，T；V為鐵心體積，m3。

1.2 永磁體渦流損耗計算方法

PWM逆變器供電負(fù)載情況下，永磁體中的渦流損耗主要由三部分諧波引起，分別為由于定子開槽導(dǎo)致的氣隙磁導(dǎo)諧波、由于定子繞組分布非正弦導(dǎo)致的繞組磁動勢諧波以及由PWM逆變器供電載波引起的電流時間諧波[11-12]。本文采用3D有限元方法對上述三種諧波引起的永磁體渦流損耗進(jìn)行分離，計算流程如圖1所示。

圖1 永磁體渦流損耗計算流程

2 非晶永磁電機(jī)損耗計算分析

2.1 樣機(jī)與PWM逆變器參數(shù)

本文以一臺2.1kW表貼式非晶合金永磁伺服電機(jī)為例，計算了其在PWM逆變器供電情況下熱態(tài)負(fù)載(轉(zhuǎn)速為3000r/min，基波頻率為200Hz)時的各部分損耗的比例關(guān)系，并利用實驗實測負(fù)載情況下非晶合金永磁電機(jī)的損耗對計算結(jié)果進(jìn)行了驗證。用以供電的逆變器的載波頻率為8kHz，利用示波器記錄了負(fù)載時的電流波形，如圖2(a)所示。

圖2 實測電流波形與Simulink生成電流波形對比

但由于示波器檢測電流時電流鉗會引入新的諧波成分，因此本文利用Simulink搭建變頻器控制電路，生成電流理論波形，如圖2(b)所示。通過對兩種電流波形諧波成分對比可知，由控制電路生成的電流波形與實測電流波形相符性良好，如圖3所示。

圖3 實測電流波形與Simulink生成電流波形諧波對比

2.2 樣機(jī)損耗計算

本文按照不同的磁化方式在定子鐵心內(nèi)6個典型位置取點，這6個位置分別是齒頂邊緣、齒頂中部、齒中、齒聯(lián)軛、齒對軛和槽對軛，如圖4所示。分別記錄一個周期內(nèi)6點的磁密變化波形，如圖5所示。將各點的磁密波形經(jīng)傅里葉分解成各次諧波后代入到式(2)中即可得到定子鐵心由各次諧波引起的損耗，如圖6所示。

圖4 定子鐵心取點位置

圖5 定子鐵心內(nèi)各點磁密波形

圖6 各次諧波引起的鐵心損耗

圖7為定子繞組0電流、定子繞組通入正弦負(fù)載電流和定子繞組通入PWM負(fù)載電流3種情況下永磁體內(nèi)的渦流密度分布。這3種情況分別對應(yīng)由氣隙磁導(dǎo)諧波、定子繞組磁動勢諧波以及載波引起的永磁體渦流損耗，3種損耗的具體計算數(shù)值如圖8所示。

圖7 永磁體渦流密度

圖8 永磁體內(nèi)渦流損耗

2.3 實驗驗證

圖9為非晶合金永磁電機(jī)負(fù)載實驗線路，本文利用該實驗平臺測試了2.1kW非晶合金永磁電機(jī)在PWN逆變器供電情況下的負(fù)載損耗，并將實驗結(jié)果與計算結(jié)果進(jìn)行了對比，如圖10所示。需要指出的是，圖10中損耗實驗值為電機(jī)總損耗減掉銅耗和機(jī)械損耗的剩余部分，即定轉(zhuǎn)子鐵心中、永磁體中、結(jié)構(gòu)件中的總損耗，其中機(jī)械損耗是利用假轉(zhuǎn)子實驗進(jìn)行分離的。從圖10中可以看出，損耗計算值與實測值較為接近，驗證了損耗計算結(jié)果的有效性。計算值略小于實測值，分析原因是由于計算過程中沒有考慮轉(zhuǎn)子鐵心損耗以及機(jī)殼、端蓋、軸等金屬結(jié)構(gòu)件中的渦流損耗。

圖9 實驗線路圖

圖10 損耗計算值與實驗值對比

3 結(jié) 論

本文分析了一臺表貼式非晶合金永磁電機(jī)在PWM逆變器供電情況下的損耗，并利用實驗對分析結(jié)果進(jìn)行了驗證。由分析結(jié)果可以看出，PWM逆變器供電情況下，由載波引起的損耗分量占非晶永磁電機(jī)損耗的比例很大，其引起的定子鐵心損耗占總定子鐵心損耗的48.4%；引起的永磁體渦流損耗占總永磁體渦流損耗的94.2%。由載波引起的損耗分量占非晶永磁電機(jī)總損耗的66.0%，是最主要的損耗部分。