电机交流损耗

交流损耗WindingCopperLoss石超杰2014.11.251.交流损耗概述2.交流损耗的计算3.文献4.总结概要1.1定子槽内的导体在基波漏磁通和谐波漏磁通作用下产生涡流（eddycurrent），因电机转速高、频率高，导体内的涡流较大，不可忽略。1.2产生定子涡流的磁通有三部分：电机的基频磁通定子开槽、铁心饱和及转子运动产生的高频谐波磁，常称为内部谐波PWM逆变器产生的高频谐波，常称为外部谐波1.3交变电流引起的趋肤效应（skineffect）和临近效应（proximityeffect）会增加电机绕组的铜耗。1.4导体交流损耗可表示为：1.交流损耗概述（临近损耗）（趋肤损耗）（直流损耗）交流损耗prskdcacPPPP)(1.5趋肤效应：当交变电流流过导体时，导体周围变化的磁场也要在导体中产生感应电流，从而使沿导体截面的电流分布不均匀，趋近于外表面的现象。1.6临近效应：互相靠近的导体通有交变电流时，每一导体不仅处于自身电流产生的电磁场中，同时还处于其它导体中的电流产生的电磁场中，这使得各个导体中的电流分布会受临近导体的影响而不均匀的现象。1.交流损耗概述2.交流损耗的计算假设条件：)sin()(tBtB导体内的涡流损耗公式（不考虑趋肤效应和临近效应）在半径为r处选一圆柱面进行计算，此处感应电势为：)cos(2trdtdBSdtdEr此处涡流可近似认为在dr的范围内流动，则可以得到这样一个环流所遇到的电阻为：ldrrSLRccr2求得局部涡流损耗后积分可得整个导体的涡流损耗：cdcdrreddyldBdrlrrdrlrEpP1282)2(24222/0222/02。为磁密的幅值与角频率和为导体的电阻率；为导体长度；为导体直径；的计算中取用有效值；在式中：BldPEceddyr（1）2.交流损耗的计算槽内导体的涡流损耗（不考虑趋肤效应和临近效应）假设：导体均匀分布在槽中，铁心磁导率无穷大，且忽略导体涡流本身涡流磁场的影响。对右图所示矩形槽，由安培环路定理可得高度y处的磁通密度：IhynbB0→bhnIyB0（2）由（1）、（2）可得：222224220128hblyIndPceddy从中可以看出，影响槽内导体涡流损耗的因素有：导体的直径、长度、电阻率，导体所在的位置，槽的几何参数等。此外，趋肤效应和临近效应将使涡流损耗的计算十分复杂，文献提及采用2D有限元法对此进行分析。2.交流损耗的计算2D有限元法计算交流损耗哈尔滨工业大学，邹继斌等在《考虑临近效应的高速永磁无刷电机交流损耗》（2010，电机与控制学报）中对一台3kw30000rpm的电机进行了2D有限元建模计算。得出如下结论：1.谐波对绕组交流损耗的影响：PWM调制引起的谐波电流是产生绕组涡流损耗的主要原因；随着载波比增加，绕组的交直流损耗比逐渐减小；结论适用于SPWM和SVPWM逆变器，两者趋势一样。N=10N=30N=502.交流损耗的计算2D有限元法计算交流损耗2.槽口尺寸（槽口高度、槽口宽度）对绕组交流损耗的影响：绕组的交流损耗随机槽口高度的增加而变大，随槽口宽度的增加而减小。2.交流损耗的计算2D有限元法计算交流损耗3.导体径向位置对绕组交流损耗的影响：绕组偏槽口放置时的交流损耗明显大于中间放置和偏槽底放置，但是和均匀放置时相差不多。2.交流损耗的计算2D有限元法计算交流损耗4.导体直径对交流损耗的影响：导体交流损耗随导体直径的增大而增大，同时直流损耗随导体直径的增大而减小，故在一定频率下，导体的总损耗有最小值。4222242202128dhblyndIPceddy222214/ddlIRIPcdcdc但总的来说，有频率越高，损耗越大的趋势。2.交流损耗的计算2D有限元法计算交流损耗5.并绕根数对绕组交流损耗的影响：在保持导体总面积不变的条件下，增加绕组并绕根数在一定频率范围内能减小绕组交流损耗，但是超过一定频率后，再增加并绕根数反而会增加交流损耗。这个频率称为最佳频率。这是因为并绕根数增加能使趋肤损耗和外磁场引起的涡流损耗减小，但同时会增大临近损耗。实验验证方式先对放置在空气中的线圈进行有限元计算和实验，这样就完全消除了铁耗的影响。接着对高频铁氧体进行有限元建模和实验，由于高频铁氧体电阻率很大，因此忽略铁心内的损耗，近似认为绕组两端所测得的损耗就是绕组的交流损耗。由于电机绕组的交流损耗很难从电机总损耗中分离出来，为了验证PWM调制引起的电流谐波对电机绕组的影响，在电机三相绕组中各串联一个高频铁氧体测试线圈，用高精度电流传感器和功率分析仪测量不同载波比时测试绕圈的交流损耗，并建立测试绕圈2D有限元模型。2.交流损耗的计算实验结果与用有限元分析的结果基本一致，但实验测得的损耗较分析值总是大一些，文章中并没有对此分析。2.交流损耗的计算1.张晓晨，李伟力等《定子结构型式对永磁发电机电磁性能影响》一文中计算一117kw60000rpm永磁电机的损耗时，计算铜耗并未考虑趋肤效应和临近效应的影响，直接计算了绕组电流和绕组电阻后得出铜耗。（2011，电机与控制学报）2.韩力，王华等《无刷双馈电机谐波铜耗与铁耗的分析》一文中搭建了一台笼型BDFM的铜耗、铁耗计算模型，其中包括了定子铜耗的计算模型。特别地，考虑了笼型转子频率较大时的趋肤效应，将趋肤效应引起的电流分布不均用交流电阻的增加系数表示，对本项目的高速永磁电机有一定的参考价值。（2012，电机与控制学报）3.李虚怀，窦满峰等《稀土永磁无刷直流电机铜耗分析》中比较详细地运用了传统铜耗分析的方法，论述了如何计算电枢绕组上的电流并用Matlab搭建仿真模型。（2010，微电机）4.周凤争，刘宝成等《高速永磁无刷直流电机设计和实验》中主要分析了转子的设计和铁耗，其中没有提及对铜耗的计算。（2010，电机与控制应用）5.余莉，胡虔生等《高速永磁无刷直流电机铁耗的分析和计算》中比较详细地给出了铁耗的计算方法，并用实验验证。（2007，电机与控制应用）3.文献一些关于铜耗计算的实例1.这一周主要查阅了交流损耗的一些文献和资料，对涡流损耗的基本公式进行了推导，明确了传统交流损耗的计算方式。2.在本项目中的设计目标是4~6万转的高速电机，考虑到电机工作时的转速高、频率高的特点，定子绕组中的涡流损耗、趋肤损耗及临近损耗都会明显变大，值得设计时关注，但在国内的高速电机研究资料中关于这部分的讨论很少，推测可能的原因有两个：一是可能传统的铜耗计算方式虽然不准确但并不造成很大误差，在留有一定裕度的情况下不致成为电机设计的主要影响因素；二是可能因为在考虑涡流、趋肤效应、临近效应的情况下损耗分析计算十分复杂，加上交流损耗难以从电机总损耗分离等原因导致并没有单独研究这一问题。3.在查阅资料过程中发现ANSOFT还是计算损耗的普遍使用手段，因而下一阶段的主要时间拟投入在软件的学习中。4.总结