PWM逆變器供電下機(jī)器人用永磁電機(jī)定子鐵心損耗分析

安川電機(jī)（沈陽(yáng)）有限公司 李 敏

沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)國(guó)家稀土永磁電機(jī)工程技術(shù)研究中心 朱龍飛

機(jī)器人用永磁伺服電機(jī)通常采用PWM逆變器供電，逆變器的斬波效應(yīng)會(huì)在電機(jī)繞組內(nèi)引入與載波頻率相關(guān)的高次諧波電流成分，這些高次諧波電流會(huì)在定子鐵心內(nèi)引起小磁滯回線，從而影響電機(jī)的鐵心損耗。本文搭建機(jī)器人用永磁伺服電機(jī)的控制模型，分析PWM供電情況下的高次諧波電流成分，并對(duì)PWM供電情況下的電機(jī)定子鐵心磁密波形和損耗進(jìn)行分析，探索PWM逆變器供電對(duì)永磁伺服電機(jī)定子鐵心損耗的影響規(guī)律。

1 永磁電機(jī)鐵心損耗分析模型

工程上較為常用的計(jì)算永磁電機(jī)鐵心損耗的方法為基于Bertotti提出的三項(xiàng)式損耗分立模型，如式(1)所示，損耗模型中各個(gè)未知參數(shù)可利用廠家提供的鐵心損耗密度數(shù)據(jù)經(jīng)非線性擬合得出。

式中：pFe為鐵心損耗密度，f為基波頻率，Bm磁密幅值，kh、α為磁滯損耗系數(shù)，kc為渦流損耗系數(shù)，ke為異常損耗系數(shù)。

利用該方法計(jì)算鐵心損耗的優(yōu)勢(shì)在于可采用硅鋼片廠家提供的低頻損耗曲線來(lái)預(yù)估高頻時(shí)此種硅鋼片的損耗。該方法適用于計(jì)算正弦交變情況下鐵心的損耗，當(dāng)采用逆變器供電時(shí)，高次電流諧波會(huì)在定子鐵心內(nèi)引起小磁滯回線現(xiàn)象，定子鐵心損耗也將隨之發(fā)生改變。

2 PWM供電永磁電機(jī)繞組電流波形

利用Simulink模塊搭建機(jī)器人用三相永磁伺服電機(jī)矢量控制仿真模型，如圖1所示，基于該仿真模型得出永磁伺服電機(jī)的電壓和電流波形，并利用傅里葉級(jí)數(shù)變換方法對(duì)該電壓和電流波形進(jìn)行諧波分析，如圖2、圖3所示，由諧波分析結(jié)果可知，PWM逆變器供電方式會(huì)在永磁電機(jī)繞組內(nèi)引入大量高次諧波電流。

圖1 永磁伺服電機(jī)仿真模型

圖2 電壓波形及其諧波分析

3 PWM供電永磁電機(jī)定子鐵心損耗分析

利用有限元方法建立機(jī)器人用永磁電機(jī)的二維仿真分析模型，并將圖3電流波形作為輸入源加載至電機(jī)繞組，以此來(lái)分析由PWM逆變器供電引起永磁電機(jī)鐵心損耗增量。為了便于對(duì)比，分析了正弦波供電情況下永磁伺服電機(jī)的鐵心損耗，即在繞組中加載正弦電流。兩種情況的永磁電機(jī)鐵心磁密波形和損耗如圖4、圖5所示。

圖3 電流波形及其諧波分析

圖4 兩種供電情況下定子鐵心磁密波形對(duì)比

圖5 兩種供電情況下定子鐵心損耗對(duì)比

由分析結(jié)果可以看出，PWM逆變器供電相比于傳統(tǒng)正弦波供電，電機(jī)定子鐵心磁密波形諧波含量大幅增加，鐵心內(nèi)部產(chǎn)生大量小磁滯回線成分，由此引起樣機(jī)定子鐵心損耗由16.1W增加至24.4W，損耗增量百分比為51.6%。

本文搭建了機(jī)器人用永磁伺服電機(jī)的仿真模型，分析了永磁電機(jī)在PWM逆變器供電情況下的電流波形，研究了PWM供電情況下永磁電機(jī)的定子鐵心磁密波形和鐵心損耗，結(jié)果顯示PWM供電會(huì)在繞組內(nèi)引入高次諧波，該高次諧波會(huì)引起大量小磁滯回線成分，導(dǎo)致鐵心損耗大幅增加。