40kW永磁同步电机的铁耗分析和计算

李 明 ，李 萍 ，钱 伟

（1中国航天科工集团上海浦东开发中心 上海 200085）

（2上海新力动力设备研究所 上海 200125）

（3江苏航天动力机电有限公司 江苏 靖江 214523）

1 引言

电力的产生需要消耗大量的煤石油天然气，一方面造成不可再生能源的枯竭，另一方面导致生态环境的日益恶化。根据中国能源经济研究院有关数据显示，在过去的2006年-2014年，由约27130亿千瓦时增长到55233亿千瓦时，平均增长1.04倍。由于目前，中国还是主要是以火力发电为主，二氧化碳的排放量由54亿吨增长到77亿吨，增长了近1.43倍。带来了雾霾、干旱等环境问题，严重制约了国家发展。新能源汽车应运而生，对国家的工业领域以及相关产业带来不可替代的优越性，巩固了国家的发展和国防建设，如航空航天、国防领域采用质量较轻的永磁同步电机作为飞行器的发电机；汽车工业中新型永磁同步电机作为汽车的核心驱动装置[1-2]。

由于电机的定转子硅钢片铁耗、磁钢的涡流损耗以及导线产生的铜耗都表现成热能，从而使电机的温度产生变化，而硅钢片和磁钢的磁性能都会受到温度的影响而变化，所以需要电机的热能管理来分析电机的产热、传热与散热问题从而分析电机的持续运行能力。常规的结构计算方程只是在电机性能理想状况下，设计电机的理想性能和结构，没有考虑到一些磁饱和和非线性因素影响下电机的特性[3-4]。而实际上，电机设计是一个非常复杂的多物理场问题，如磁场、热量、力学等多个影响因素，这些都需要进行精确和验校。

本文中主要是针对电机性能和工作环境要求，构建了较为准确的数学计算模型函数，并以实际电机性能和采用的生产设计材料为约束条件，提出一种新型设计方法，缩短了电机的设计和生产周期，能够有效地节省生产原材料和提高经济利润。以一台额定功率为40kW永磁同步电机为例，利用本文提出的方法对该电机定转子计算和设计，通过仿真设计，有效地验证方法的可行性和有效性。

2 电机设计计算

2.1 建立铁耗模型

首先，当磁通密度高于10000高斯时，单位磁滞损耗与磁通密度的平方和频率的一次方成正比[5]：

式中，σr是损耗常数，与电机采用的硅钢片牌号有着直接关系。

硅钢片中涡流损耗的公式可用下列方法取得。以厚度为Δ的1cm2面积的钢片为例，假定感应的方向是沿钢片的面并时时按正弦波形变化。将电磁感应法则及欧姆定律应用于宽为dx之回路，可得：

上式中，Ex为感应电压，φx为磁通变化量。

除以零件的体积（Δ*1*1cm3），可求得单位体积的损耗，而除以密度，则可求得单位重量的损耗（W/Kg）：

式中，

ρ为材料的电阻率，r为密度。

所以铁损的计算公式为：

采用以上公式，对损耗进行计算，电机铁芯材料为DW310-35，选取的频率为300Hz、400Hz、500Hz、800Hz、1000Hz，该材料铁损BP曲线如图1所示。

图1

2.2 热效应分析

电机的散热面顾名思义对电机性能有着直接关系，并依据电机热量面密度数值进行电机散热结构进行设计，从而保障电机的运行性能[6]。这里，我们采用以下公式进行构建相关的热量面密度函数，如下所示：

式中，pcu是定子绕组铜耗，pfe是定子铁芯损耗，SHeat-diss为电机散热面表面积，表示为

其中，Do为电机铁芯的外径，Le表示电机有效铁芯长度，Lend-w为定子绕组端部和电机引出线所占据的轴向长度，θ表示经验长度调整值。

需要进行说明是，电机的工作电源是由变频电路提供的，导致整个电机中电路、磁路和热能相互影响，增加了电机设计的复杂度。因此，为了降低这样的设计困难，我们采用场路耦合设计技术。结合以上的计算公式，实现了电机的有效设计，在下一节中进行了深入的探讨和分析。

3 铁耗的实验研究

以一台18槽12极大，额定功率为40kW的永磁同步电机为试验样机，对其工作性能进行了多方面的分析和探讨，如下图2所示。

图2 永磁同步电机剖面图

当定子槽内绕组不通入电流时，磁场仅由磁钢作用产生，此时通过有限元计算便可得到空载磁场的计算结果。图3为空载时气隙磁密波形图,可知气隙磁密的前半周期波形较好（磁钢对准齿部），而后半周期，由于磁钢正好对准定子槽口，故波形有个凹坑，可见齿槽配合及槽口大小对气隙磁密影响很大。

图3 磁密分布图

图4 电机工况map图

从图4中，我们可以看出电机在各个运行工况下，均能具有良好的电磁转矩，保证电机正常工作。由此，可以间接地证明了本文提出方法的有效性。

4 结论

电机的损耗与电机的转速、电流有关，而电机产生的热量也与电机的结构有着紧密关系。良好的散热结构是保障电机性能的关键，因此电机的结构设计尤为重要。本文中中提出了一种新型的损耗计算公式，不仅简化了损耗计算的复杂性，而且能够快速的实现电机结构的设计；并且，针对电机的散热能力进行了研究和探讨，以达到审核电机目的。最后，通过有效的试验仿真证明本文提出方法的有效性和合理性。

[1][沈启平.车用高功率密度永磁同步电机的研究[D].沈阳工业大学，2012.

[2] Yamazaki K,Kumagai M,Ikemi T,et al.A Novel Rotor Design of Interior Permanent-Magnet Synchronous Motors to Cope with Both Maximum Torque and Iron-Loss Reduction[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 2013,49(6):2478-2486.

[3] Limsuwan N,Shibukawa Y,Reigosa D D,et al.Novel Design of Flux-Intensifying Interior Permanent Magnet Synchronous Machine Suitable for Self-Sensing Control at Very Low Speed and Power Conversion[J]. IEEE Transactions on Industry Applications,2010,47(5):555-562.

[4]唐任远.现代永磁同步电机理论与设计[M]. 北京: 机械工业出版社，2012.

[5]孔晓光，王凤翔，徐云龙，邢军强.高速永磁电机铁耗的分析和计算[J].电机与控制学报，2010.9，14(9)：26-30.

[6]刘晓芳，赵海森，陈伟华，顾德军.电机铁耗的有限元计算方法研究进展及有待解决的问题[J].电机与控制应用，2010，37（12）：1-6.