永磁电机损耗研究

    近年来，随着国家节能减排政策的风起，工业领域对电机系统的能效要求不断提高，高效电机已然成为了研究机构以及国内外电机企业的关注热点。对于电机而言，能效的提升就意味着电机损耗的降低，因此，在电机设计及优化过程中，需要对其损耗有着比较系统和准确的计算分析，进而提出最优的解决方案，降低损耗，提高电机效率。目前，永磁电机的效率较高，为工业领域较为常用的高效电机，本文以永磁电机为研究对象展开相应的探讨。

 

损耗分类

    电机是一种把电能转化为机械能的装置，在电机运行过程中不可避免地要产生损耗，其中绝大部分损耗会变成热量，使电机各个部件温度升高，严重时可能会导致电机不能正常运转。此外，电机损耗的多少直接关系到其机电系统的效率问题。永磁电机中的损耗主要可分为铁损、铜损和机械损耗，如图 1 所示。铁损由磁滞损耗、涡流损耗和杂散损耗构成，其主要的影响因素为铁磁材料性能 、工作频率和气隙磁密。由于永 磁电机中存在永磁体，其铜损则可分为绕组铜损和永磁体损耗（涡流损耗）两大类，其值受到定子电流、绕组结构与材料以及谐波磁场等影响。机械损耗包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗和风磨损耗，在电机设计阶段，此类损耗一般为工程师根据电机实际工况和结构特点来估算得到的经验数据。

图 1  电机损耗分类

损耗削弱方法

1、铁损削弱方法

①选择合适的齿槽，齿槽主要考虑槽型、槽深、槽口尺寸、极槽配合等；

②选择合适的磁极，主要考虑气隙长度、永磁体厚度、永磁体边缘斜角、充磁方式、钕铁硼材料等方面；

③增加铁心长度，增大定子轭高，减小磁密；

④选择较高规格的硅钢片材料；

⑤选择合适的控制方式；

⑥采用无铁心结构，一般用于盘式永磁电机。

2、铜损削弱方法

①选择合适的绕组结构形式，例如增大线径，减小匝数；选择合适的绕线方式；改变端部结构；

②选择合适的极槽结构，如斜槽、偏心结构，减小谐波磁场产生的附加铜损；

③优化驱动控制方式，减小谐波电流及换相电流产生的附加铜损。

3、永磁体损耗削弱方法

①选择合适的齿槽结构和极槽配合形式；

②改变永磁磁极结构。

E asimotor 案例分析

    E asimotor 软件在损耗研究方面的优势：相较于传统的损耗计算方法，软件在考虑磁场谐波含量的基础上，采用节点磁密计算电机参数，精度较高；并且软件中集成了控制算法和参数化优化模块，可以快速有效计算不同控制算法和参数时的损耗值，能够帮助工程师快速优化电机参数，为电机设计者提供最佳设计方案。

    下面，以一台4极24槽的表贴式永磁电机为例，如图 2 所示；借助于电机设计分析软件 E asimotor ，采用磁路法和有限元方法对其各类损耗开展准确的计算，结合上述常用的损耗削弱方法，给出三种优化方案并进行性能评估，提高电机的效能。

优化方案 1：

    改变永磁体形状，采用偏心结构，减小气隙磁场的谐波分量。其优化效果详见图 3 和图 4，相较于原方案，铁损，绕组铜损以及永磁体损耗都有一定的减小。

优化方案 2：

    改变电机绕组结构，增大线径，减小匝数，进而减小绕组电阻，减小铜损。其优化效果详见图 5 和图 6。通过对原方案的损耗分析，此电机的铜损占大部分，故本方案主要以降低铜损为目的。

图 5  线径、匝数对损耗和效率的影响

图 6  损耗的时变曲线图（原方案为蓝色曲线，优化方案 2 为红色曲线）

优化方案 3：

    在优化方案 2 的基础上，改变永磁体形状，采用偏心结构，选择合适偏心距，得到最优方案。图 7 所示为四种方案的性能对比情况，通过采用不同的损耗削弱方法，能够不同程度地降低电机损耗，从而提高电机的效率，完成高效电机的设计。

图 7  四种方案性能对比

   在实际的电机设计过程中，工程师需要根据电机的各类损耗分布比例，选择最优的削弱方法，得到最优的高效电机方案。

来源：杭州易泰达科技