浅谈高速永磁同步电机的涡流损耗

苏兴彪，贺方志

（1.曲阜师范大学；2.山东港口日照港集装箱发展有限公司，山东 日照 276800）

1 涡流损耗的概念

所谓涡流损耗，一般来讲就是导体在非均匀磁场中移动或处在随时间变化的磁场中时，导体内产生的电流导致的能量损耗。在永磁同步电机中，由于转子与定子磁场同步旋转，常忽略转子的涡流损耗。实际上，定子齿槽效应，绕组磁动势的非正选分布和绕组中的谐波电流所产生的谐波磁动势也会在转子永磁体、转子呃中引起涡流损耗，本文重点讨论转子永磁体上所产生的涡流损耗。

2 涡流损耗产生的理论分析

在永磁同步电机中所含的磁场一般由三部分组成，即电枢绕组所产生合成磁动势，永磁体所产生的永磁磁场和气息中由电枢绕组和永磁体所产生的合成磁场。

定子合成磁动势为各项磁动势之和，将上式叠加整理可得：

式（3）表明磁动势推进的角速度和交流电电流的角频率相等，由于一转等于p·2pi 的点弧度，所以用转速表示旋转磁动势的转速n 应为

即恰好等于同步转速。

同理，把ABC 三项绕组所产生的v 次谐波磁动势相加，可以得到三项的v 次谐波合成磁动势为

经过运算可知：

3 结论

在永磁同步电机中，永磁磁场是由永磁体产生的，在内转子永磁同步电机中，永磁体式内置于转子上的，永磁体产生的永磁磁场的基波和多次谐波它们以同步速 ns随转子旋转。也就是说，在永磁同步电机中产生涡流损耗的主要原因就是，电枢磁场多次谐波所合成的磁动势旋转的速度与永磁磁场所产生永磁磁场旋转的速度不同，产生的相对运动，从而产生了交变磁场，进而产生涡流效应，形成涡流损耗。

4 有限元计算法

有限元计算是计算场效应最流行的方法，它对于电磁场的计算提供了更加精密的方式，其基本原理就是网格刨分，网格的质量决定了计算的精度，对于电磁场来说，主要的依据就是麦克斯韦方程组，麦克斯韦方程组详细阐述了电磁场的基本性质。通过有限元的方法分析计算电磁场，归根结底，就是微分方程的求解问题，根据电磁场的性质确定解微分方程的边界条件，当物理量在边界上的值为零时，称为第一类边界条件，当物理条件规定了物理量的法向微商在边界上的值称为第二类边界条件。

电机的电磁场计算是不考虑位移电流影响的，一般称为似稳场。电机电磁场采用的磁矢位A 和磁标位φ，对于稳态情况，平面场域上的电磁场问题可以表示为：

式中，ν 为磁阻率；A 为磁矢位；Jz 为源电流密度；Ht为磁场强度的切向分量。

5 有限元验证

下面以12 槽8 极分数槽绕组和48 槽8 极整数槽绕组永磁同步电机有限元仿真进行验证。

图1

图1 为48 槽8 极的永磁电机的电枢绕组产生的磁场波形图，由傅里叶分析可知，谐波的含量为0.7531、0.1708，图2 为12 槽8 极分数槽绕组的电枢绕组磁场波形图其谐波含量最大为0.8381、0.5307。

图2

图3

图4

图3 为48 槽8 极整数槽的涡流损耗分布图，图4 为12槽8 极的分数槽涡流损耗分布图，由图可知，整数槽绕组明显优于分数槽绕组。