变频器供电载波引起的非晶电机谐波损耗的实验研究

朱龙飞，梁富强，韩雪岩

(沈阳工业大学 国家稀土永磁电机工程技术研究中心，沈阳 110870)

0 引 言

相比于传统硅钢片材料，非晶合金材料的带材厚度更薄、电阻率更高，这使得该材料具有优越的低损耗特性，为此非晶合金材料在变压器行业已经成功得到了应用。有资料显示，利用非晶合金材料替代硅钢片材料制造变压器铁心，变压器的空载损耗可降低近70%[1]。但是，由于电机铁心制造工艺复杂程度高于变压器，且非晶合金材料同时具有带材薄、硬度高、退火加工后脆性大等缺点，传统用以制造硅钢片铁心的冲压工艺难以直接应用于制造非晶合金电机铁心，这也给最初非晶合金材料在电机行业的推广与应用带来了麻烦。

随着材料工艺和铁心加工工艺的发展，非晶合金铁心加工问题逐步得到解决[2-3]，非晶合金材料在电机行业的应用也逐渐成为研究热点[4-16]，特别是在高频、高速电机领域，非晶合金电机的研究取得了一定进展。文献[4]以一台20 kW、2500 r/min的电动汽车用永磁电机为例，利用非晶合金材料替代硅钢片材料制造电机定子铁心，优化后的非晶合金电机功率密度相比于硅钢片原型样机提高了45%。文献[5]以一台3000 r/min的永磁电机为例，分析了采用非晶合金替代硅钢片制造电机铁心后电机损耗的变化规律，结果显示替代后的非晶合金电机铁心损耗降低了50%。文献[6]制造了一台60000 r/min的高速无槽非晶合金永磁电机，分析结果显示采用非晶合金材料后在电机大范围转矩运行区间内，非晶合金电机的效率均高于90%。文献[14]研究了一台7000 r/min的锥形轴向磁通非晶合金永磁电机，结果显示利用非晶合金材料后，该电机的效率从90%提升至93.5%。文献[15]研究了一台最高转速为120000 r/min的超高速非晶合金永磁电机，研究结果显示，相比于硅钢片材料，利用非晶合金材料制造电机转子可使该电机的转子铁心损耗降低82%。从现有文献可以看出，非晶合金材料在电机领域的应用已经开展了一部分研究，但是目前文献中大多关注的是利用非晶合金替代硅钢片制造铁心后电机铁耗的变化规律，而对于同样占总损耗较大比重的由变频器供电载波引起的非晶合金电机谐波损耗的变化规律缺乏深入研究。

基于上述研究现状，本文利用实验方法分离出两台具有相同结构参数的非晶合金永磁电机和硅钢片永磁电机在变频器供电情况下由载波引起的谐波损耗，并将实验结果进行对比，得出利用非晶合金铁心替代硅钢片铁心后，电机谐波损耗的变化规律。利用有限元软件对两台电机的谐波损耗进行细化分析，并结合非晶合金铁心磁特性测试结果分析得出利用非晶合金铁心替代硅钢片铁心后，谐波损耗变化的原因以及抑制方法。

1 非晶电机实验测试

图1为非晶合金永磁电机和装有35 W270硅钢片定子铁心的硅钢片永磁电机。两台电机的各部分结构尺寸参数均相同，如表1所示，唯一的差别在于两台电机分别采用了不同材料的定子铁心。

根据国际电工委员会(IEC)发布的《IEC 60034-2-3: Specific Test Method for Determining Losses and Efficiency of Converter-fed AC Motors》标准内容，将变频器供电的交流电机损耗分类为基波损耗和谐波损耗，其中基波损耗指的是常规正弦波供电情况下电机的铁耗、铜耗、风摩耗和杂散损耗；谐波损耗指的是变频器供电情况下由非正弦电压和电流波形中谐波成分引起的除基波损耗以外的损耗增量:

图1 非晶合金永磁电机和硅钢片永磁电机

表1 非晶合金永磁电机和硅钢片永磁电机参数

PT=Pbh+Pb

(1)

Pb=PCu+PFe+Pfw+Ps

(2)

式中，PT为变频器供电情况下电机总损耗，Pbh为谐波损耗，Pb为基波损耗，PCu、PFe、Pfw和Ps分别为正弦波供电情况下电机的铜耗、铁耗、风摩耗和杂散损耗。

为了利用实验方法测试分离出两台电机的谐波损耗，本文分别搭建了正弦波供电和变频器供电情况下两台电机的损耗测试平台，如图2、图3所示。正弦波供电实验时，为了得到可调频率的正弦电压源，搭建了正弦波供电机组，其工作原理是利用直流电机易于平滑调速的特性，将一台直流电机作为原动机驱动一台永磁发电机。通过调整直流电机的转速可实现对永磁发电机输出正弦电压频率的调整，如式(3)所示。变频器供电实验时，选用的变频器为与被测电机相匹配的代号为GSK3000的矢量控制变频器，变频器的载波频率为8 kHz。

(3)

式中，fs为正弦机组提供的正弦电压频率，pg为永磁发电机的极对数，nd为直流驱动电机的转速。

图2 谐波损耗测试原理图

图3 永磁电机测试平台

利用上述实验平台分别测试了两台电机在正弦波机组和变频器供电情况下的损耗，之后根据式(1)和式(2)分离出两台电机的谐波损耗和铁耗，在计算铁耗时，采用假转子方法对机械耗进行了剥离。图4为两台电机的谐波损耗和铁耗，由对比结果可以看出，由于非晶合金铁心损耗密度远低于硅钢片材料，非晶合金电机的铁耗低于硅钢片电机，额定转速下非晶合金电机的铁耗仅为硅钢片电机的52.5%，非晶合金电机的铁耗优势十分明显。但是，另一方面非晶合金电机的谐波损耗却高于硅钢片电机，额定转速下其数值约为硅钢片电机的1.3倍，这对于非晶合金电机损耗的降低与效率的提升是十分不利的。为此，本文将进一步研究产生该实验现象的原因。

图4 永磁电机谐波损耗和铁耗实验测试值

2 实验结果分析

由于谐波损耗是由变频器供电时非正弦电压或电流波形引起的，本文利用示波器记录了两台电机在变频器供电情况下的输入电流波形，如图5所示。由对比电流波形可以看出，非晶合金电机电流波形的变化率要高于硅钢片电机。图6对上述两个电流波形进行了傅里叶分析，由分析结果可以看出，两台电机的电流波形中的谐波主要集中在30、60和90次谐波附近，说明两台电机电流波形中的主要谐波是由变频器供电载波引起的(本文实验中变频器的载波比为30)，且非晶合金电机电流波形中的谐波更高。

以图5实测的非晶合金电机和硅钢片电机的输入电流波形作为激励源，利用有限元分析了两台电机在变频器供电情况下的铁心损耗和永磁体涡流损耗。同时，用以对比分析，两台电机在正弦波供电情况下的铁心损耗和永磁体涡流损耗也利用有限元方法进行了分析，对比结果如图7～图11所示。

图5 实验实测输入电流波形

图6 电流谐波分析

图7 非晶合金电机铁心损耗

图8 硅钢片电机铁心损耗

图9 非晶合金电机永磁体涡流损耗

图10 硅钢片电机永磁体涡流损耗

图11 谐波损耗计算值与实验值

由对比结果可以看出，归功于非晶合金材料优越的低损耗密度特性，非晶合金电机定子铁心中由变频器供电载波谐波引起的损耗仍低于硅钢片电机，其数值约为硅钢片电机的36.5%。但是，非晶合金电机中由变频器载波谐波引起的永磁体涡流损耗远高于硅钢片电机，其数值约为硅钢片电机的2倍。这是由于两台电机均采用表贴式转子结构，永磁体直接暴露于气隙中，由变频器供电载波谐波电流引起的气隙中高频磁动势谐波成分在永磁体表面和内部产生大量的涡流损耗。而且受非晶合金铁心磁导率低的影响，非晶合金电机电感参数也小于硅钢片电机[7]，绕组电感对高次载波谐波电流的抑制作用弱于硅钢片电机，致使变频器供电情况下非晶合金电机定子绕组电流的变化率高于硅钢片电机(如图5所示)，定子绕组中由变频器供电载波引起的谐波电流含量高于硅钢片电机(如图6所示)，相应的由载波谐波电流引起的谐波损耗也高于硅钢片电机，且主要谐波损耗分量为永磁体涡流损耗。

为了抑制永磁体内的谐波损耗，本文利用3D有限元分析了永磁体轴向分段对非晶合金电机永磁体中的谐波损耗的抑制效果，如图12所示。由分析结果可以看出，永磁体轴向分段可有效抑制变频器供电载波谐波电流引起的永磁体谐波损耗，且随着分段数的增加，对永磁体内谐波损耗的抑制作用越明显。当永磁体轴向分段数为3时，非晶合金电机永磁体中的谐波损耗相对于未分段时降低了22.1%，非晶合金电机总谐波损耗降低了19.2%，此时非晶合金电机的谐波损耗数值可达到与硅钢片电机同等水平，如图13所示。

图12 非晶合金电机永磁体谐波损耗

图13 永磁体分3段后的非晶合金电机谐波损耗与硅钢片电机谐波损耗对比

3 结 语

本文利用实验方法测试了变频器供电情况下非晶合金电机和同结构参数的硅钢片电机的谐波损耗，利用有限元对非晶合金电机的谐波损耗进行了分析，得出以下结论：非晶合金电机的铁耗低于硅钢片电机，额定转速下其数值约为硅钢片电机的52.5%；变频器供电情况下非晶合金电机定子绕组中由载波引起的谐波电流含量高于硅钢片电机，由载波引起的谐波损耗高于硅钢片电机，额定转速下其数值约为硅钢片电机的1.3倍。经有限元分析，非晶合金电机中主要谐波损耗分量为永磁体涡流损耗，利用永磁体轴向分段措施可有效抑制由变频器供电高次载波谐波电流在永磁体内引起的谐波损耗。