PMSM定子铁耗与磁极涡流损耗计算及其对温度场的影响

张洪亮，邹继斌，陈霞，江善林

(哈尔滨工业大学，黑龙江哈尔滨150001)

摘要：采用二维有限元法对交流水磁同步电动机(PMsM)定子与磁极区域电磁场进行了分析研究，阐述了定子铁心不同区域磁场的变化规律以及磁极区域涡流场的分布规律：在此基础上，综合考虑电机中交变与旋转磁场的影响，计算了电机定子饱和铁心损耗与磁极涡流损耗，并将此计算结果应用于电机的三维温度场计算中，分析了两类损耗对电机温升的影响。通过计算结果与实测值的对比分析，验证了损耗与温度场计算方法的正确性。

    关键词：水磁同步电动机；铁耗；涡流损耗；温度场

    中图分类号：TM341  文献标识码：A  文章编号：1004一7018(2008)05—0001—04

O引  言

    永磁同步电动机(以下简称PMsM)具有效率高、功率密度高、控制性能好等优点，广泛应用于高性能的驱动领域。PMsM铁心中的磁场变化规律比较复杂，与电机的结构、转速及控制策略密切相关，此外，电机正常工作时，定子铁心中的磁通密度是非正弦、非线性的，且各处的磁通密度不同，而铁心损耗又与磁通密度幅值呈非线性关系，对于此类饱和铁心损耗的计算是比较困难的。传统上认为铁心内磁场只发生交变，仅产生交变铁心损耗，而实际上一部分铁心处于旋转磁场中，也产生旋转铁心损耗，因此为了准确定量计算饱和铁心损耗，首先确定铁心内任意点的磁密变化规律是必需的。

    铁耗在整个电机损耗中占有重要地位，也是引起电机发热的主要原因之一。一般对表面磁钢式永磁同步电动机的研究认为，该电机气隙大，且磁钢的磁导率近似为空气的磁导率，电枢反应很小，且转子以同步转速旋转，因而无须考虑转子损耗。但由于驱动方式的不同及齿槽效应的影响，转子会产生损耗，并集中分布于磁极表层区域，从而导致该处热源密度较大，引起转子发热，严重时会造成永磁材料去磁，影响电机的性能，缩短电机的使用寿命。

    本文在上述分析研究的基础上，计算了PMsM的铁心损耗与磁极区域的涡流损耗，同时，也对两类损耗对电机温升的影响进行了分析。

1 PMSM定子铁耗与磁极涡流损耗计算

1．1定子磁密波形有限元计算

    应用时步有限元法对电机铁心磁场进行数值计算，当电机旋转360^。电周期时，进行11个位置的磁场计算，即每隔36^。电角度计算一次，可得到定子铁心每一个剖分单元磁密的径向分量B：和切向分量B在图l定子铁心上选取4、B、c、D、E五点，可得各点磁密波形变化规律，如图2所示。

    从图2可以看出，除了齿中间点(B点)的磁场外，可以认为是纯粹的交变磁场外，其它各点均为交变磁场和旋转磁场共同作用而形成的磁场。因此，在电机铁心损耗的计算中不仅要考虑交变磁场所产生的铁耗而且要考虑旋转磁场所产生的铁耗。

1.2定子铁耗计算

    根据铁耗分离理论，定子铁心每个单元由任意磁密波形所引起的铁心损耗包括磁滞损耗P_hys、涡流损耗P_class和附加损耗P_exe三部分，即：

    P_core=P_hys+P_class+P_exe    (1)

    借助于谐波分析原理，电机中任意点磁密波形都可分解成一系列的椭圆型谐波磁密矢量对于每一个k次谐波分量，长轴磁密为B_kmaj，短轴磁密为B_kmin，在计算由旋转磁场产生的磁滞损耗时^[2]，将旋转磁滞损耗等效为两个正交的交变磁滞损耗，因此，定子磁滞损耗的计算式：

式中：Ch为磁滞损耗系数；n取2为计算磁滞损耗经验系数；σ为铁心迭片电导率；d为铁心迭片厚；p为铁心迭片密度；C_e为附加损耗系数。

    根据时步有限元法计算得到的一个周期内每个单元磁密矢量B的波形，采用式(2)～式(4)可以得到该单元的单位质量铁心损耗，再乘以该单元的质量就可得到此单元的铁心损耗。总铁心损耗等于各个剖分单元铁心损耗之和。

1．3磁极涡流损耗计算

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