多工况下内装式永磁电机损耗研究与分析.pdf

第 61 卷 第 10 期Vol.61 No.102023 年 10 月October 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERINGdoi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.10.009多工况下内装式永磁电机损耗研究与分析李帅耀,李家春,李擎（550000 贵州省 贵阳市 贵州大学 机械工程学院）摘要 针对现代工业生产中永磁同步电机（PMSM）工况复杂造成损耗难以准确计算的问题，利用 Maxwell 电磁仿真软件，对提升机内装式永磁电机欠工况和过工况下的损耗进行了定量分析。除额定工况外具体研究了 3 个不同负载下永磁同步电机各类损耗值及变化情况，并对定子铁心损耗进行了分区域分析。结果表明，在低速大转矩永磁同步电机中，绕组铜耗高达电机损耗的80%，机械损耗可根据经验值估算，定子铁心损耗主要集中在齿身齿轭上；随负载增大，绕组铜耗和铁心损耗显著增加，涡流损耗变化不明显。样机制造后实测效率达到 91%，基本项误差在 6.76%以内。为同类电机的能效控制和散热优化提供参考。关键词 损耗；永磁同步电机；负载；多工况 中图分类号 TM301.4 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)10-0042-05引用格式：李帅耀,李家春,李擎.多工况下内装式永磁电机损耗研究与分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(10):42-45,69.Research and analysis on loss of built-in permanent magnet motor under multiple operating conditionsLI Shuaiyao,LI Jiachun,LI Qing(School of Mechanical Engineering,Guizhou University,Guiyang 210018,Guizhou,China)Abstract Aiming at the problem that the losses of permanent magnet synchronous motors(PMSM)are difficult to calculate accurately due to the complex working conditions in modern industrial production,the Maxwell electromagnetic simulation software was used to quantitatively analyze the loss of hoist built-in permanent magnet motor under under-working conditions and over-working conditions.In addition to the rated conditions,the magnitude and variation of various losses of the permanent magnet synchronous motor under three different loads were specifically studied,and the sub-regional analysis of the stator core loss was carried out.The results showed that in the low-speed and high-torque permanent magnet synchronous motor,the copper loss of the winding was as high as 80%of the motor loss.Mechanical loss could be estimated according to empirical value,and the stator core loss was mainly concentrated on the gear body and yoke.With the increase of load,winding copper loss and core loss increased significantly,and eddy current loss did not change significantly.After the prototype was manufactured,the measured efficiency reached 91%,and the basic term error was within 6.76%.The research content provides a reference for the energy efficiency control and heat dissipation optimization of similar motors.Key words loss;permanent magnet synchronous motor;load;multiple working conditions0 引言在实际工业生产中，电机的工作状态越来越复杂化和多样化。根据现场情况的变化，往往需要电机在多种工况下稳定运行，因此对电机的设计制造以及各项电磁指标提出了更高要求。机电转换效率一直是电机产品设计研究人员关注的重要指标。电机在实际运行中，由于内部电磁场和机械结构原因，不可避免产生各种损耗，电机损耗产生机理相对比较复杂。根据损耗来源，永磁电机内部损耗大致分为 4 类，铁心损耗，绕组铜耗，机械损耗和涡流损耗1。朱托等2在考虑谐波、涡流反作用和磁钢分段的情况下，研究了永磁体的涡流损耗解析模型，大幅提高了计算分析效率；段利聪3详述了 4 类损耗的不同模型，并通过仿真得到碳纤维护套下的磁钢涡流损耗有效减小；段树成4研究了不同转速和负载时的电机损耗，总结了各类损耗的分布占比情况；张维伟等5以一台车用高转速永磁电机为例，分析计算不同流量下的通风损耗，结果表明，转子风摩耗所占比重最大，通风流量达到一定值后趋于稳定；李敏等6进行了不同供电模式下铁耗值的对比，表明高次谐波对定子铁耗有显著影响。基金项目：贵州省科技计划项目（黔科合成果 20194412 号；黔科合支撑 2022 一般 196）收稿日期：2022-09-2643第 61 卷第 10 期研究电机多工况下的各类损耗，并分析其分布变化情况，对电机设计和效能控制有重要意义。本文以一台 28 极 168 槽的低速大转矩外转子式永磁电动机为研究对象，重点分析定子各区域铁耗、磁极涡流损耗和绕组铜耗等其他附加损耗，论述电机损耗计算的数学模型以及不同工况下电机损耗的变化和分布规律。1 模型创建及参数设置该电机为低速大转矩永磁同步电机，机身轮廓尺寸较大，转子外径达 1 760 mm。为有效利用计算机资源，提高计算效率，取电机的 1/14 周期模型进行仿真计算。电机主要结构参数如表1所示。表 1 电机主要结构参数Tab.1 Main structural parameters of the motor电机设计参数数值电机设计参数数值转子外径/mm1 760定子槽数168转子内径/mm1 630极对数14定子外径/mm1 623永磁体宽/mm145定子内径/mm1 360永磁体厚/mm15建立电机有限元模型，创建 Band 域将运动部件包含在空气部件中，有利于将运动部件和固定部件分隔开。（1）Band 必须比任何方向的运动部件的边线稍大，是一个具有圆弧边界的扇形；（2）设置一个空气部件将所有运动部件包含其中，有利于沿气隙的网格剖分。在 Maxwell 中对定子、转子、永磁体、绕组以及气隙、运动域分别剖分。齿顶和气隙等关键部分适当加密，模型网格剖分结果如图 1 所示，设置主从边界矢量条件和求解需要。勾选 Set core Loss 和Set Eddy Effects，根据部件材料特性进行电机损耗的求解计算。2 多工况下电机各类损耗研究2.1 多工况下铁心损耗研究电机工作状态下，定子和转子上产生的损耗称为铁耗，一般由磁滞损耗和涡流损耗构成7，磁通密度不均匀引起的附加损耗很小可忽略不计。通过Bertotti铁耗分离模型可以有效提高计算的精确性，其计算公式为PFe=Ph+Pc+Pe (1)式中：PFe 铁心损耗；Ph磁滞损耗；Pc 涡流损耗；Pe附加损耗。在数学三项式模型中，式（1）每一项损耗都可根据对应公式计算。Pk fBPk f BPk fB.hhcceemmm2221 52=Z (1)式中：kh、kc、ke磁滞损耗系数、涡流损耗系数、附加损耗系数；f 交变频率；Bm磁通密度幅值，可取 1.52.27-8。在 Maxwell 中设置材料特性，选中定转子求解铁心损耗，仿真得到额定负载下定子、转子损耗曲线如图 2 所示，定子铁耗平均为 859.8 W，而转子铁耗仅为 0.6 W，几乎为 0。由图 2 可知，在永磁同步电机中，转子铁耗和定子相比很小，几乎可以忽略不计。这是因为在永磁同步电动机中，转子运动和内部磁场空间变化保持同步，并不切割磁感线，因此对永磁同步电机的铁耗研究主要集中在定子上。把电机定子分为 3 个区域研究：齿顶、齿身和齿轭。如图 3 所示。分析在不同负载工况下 3 个区域的铁耗和分布情况。通过布尔运算分割模型，实现定子铁耗的分区观察。仿真得到电机工作在 0.6 倍、0.8 倍、额定负载和 1.2 倍负载下的铁耗分布如表 2 所示。将表2 数据绘成如图 4 所示的折线图，可见定子铁耗主要产生在齿身和齿轭上，达到齿顶铁耗的 10 倍左图 1 电机有限元周期模型Fig.1 Finite element period model of the motor图 2 额定工况下电机定转子铁耗大小对比Fig.2 Comparison of iron loss of motor stator and rotor under rated working condition0 100 200 300 400 500时间/ms损耗/W1 2001 0008006004002000定子铁耗转子铁耗李帅耀 等：多工况下内装式永磁电机损耗研究与分析44农业装备与车辆工程 2023 年右。这是由于和齿顶相比，齿身和齿轭的体积在定子结构中占比大，磁密幅值也较高。负载稳步增大时，齿顶的铁耗由于基数小，变化并不明显；齿身和齿轭铁耗接近，且增大较多，在 1.2 倍负载下可以分别达到500 W左右，总的定子铁耗为994.92 W。表 2 不同区域定子铁耗大小Tab.2 Stator iron loss in different regions负载倍数齿顶/W齿身/W齿轭/W全定子/W0.629.18318.44255.64603.260.831.82373.25331.53736.601.035.01411.47404.82851.301.238.91458.55497.46994.922.2 永磁电机的机械损耗计算分析电机运行中的机械损耗包括通风损耗、轴承摩擦损耗等各类由于结构和生产装配因素引起的损耗。大多数情况下，轴承损耗与润滑油种类、零件加工质量以及接触面光滑程度等有关，摩擦系数测定也较难；通风损耗与电机结构和系统风阻等有关，相关因素也存在难以精确计算问题。一般情况下通风损耗 Pf和轴承摩擦损耗 Pz的计算模型8为PCn r LPC Dffrrzbmr0343rt=*(2)式中：Cf 摩擦系数；0 介质密度；n 目标转速；rr转子半径；Lr转子铁心长度；Cb轴承系数；Dm 轴承直径；r 旋转角速度。由于式（2）中各种因素测定的不确定性，实践中多依据电机的现有数据近似估算 2 项损耗，粗略计算机械损耗为 750 W。2.3 多工况下永磁体涡流损耗低速大转矩永磁同步电机运行时的电流很大，由于谐波磁场和非正弦电流波等因素的存在，产生了很多涡流9；又因转子表面的磁钢很难做成硅钢片的叠状形式，且有一定的导电性质，因此磁极会存在感应涡流。图5为磁场强度的有限元计算云图，可以看到磁钢各表面的磁场强度较高。设磁场在截面上分布均匀，磁极横截面近似为矩形，交变磁场中磁极的涡流损耗 Pc表达式10为Pfm BB3cmtmad222222rtvah=+j (3)式中：电导率；f 频率；磁钢密度；m磁极质量；Bmt切向磁通密度峰值；Bma轴向磁通密度峰值；d畸变系数。求解涡流损耗前在 Maxwell 瞬态场下设置钕铁硼的电导率，勾选 Eddy Effects 下的磁钢模型，得到额定工况下永磁体涡流损耗如图 6 所示，损耗值为 187 W。图 3 定子分区域指示图Fig.3 Indication diagram of stator sub-region齿顶齿身齿轭图 4 额定负载下定子不同区域铁耗Fig.4 Iron loss in different regions of stator under rated load0.6 0.8 1.0 1.2负载倍数定子铁耗/W6005004003002001000齿顶齿身齿轭图 5 永磁体磁场强度分布Fig.5 Magnetic field strength distribution of permanent magnetH A/m6.7138E+056.3323E+055.9508E+055.5693E+055.1877E+054.8062E+054.4247E+054.0432E+053.6617E+053.2802E+052.8986E+052.5171E+052.1356E+051.7541E+051.3726E+059.9106E+04图 6 额定负载下永磁体涡流损耗Fig.6 Permanent magnet eddy current lossunder rated load200 300 400 500时间/ms涡流损耗/W5004003002001000-10045第 61 卷第 10 期李帅耀 等：多工况下内装式永磁电机损耗研究与分析对负载转矩倍数为 0.6、0.8、1.0、1.2 的涡流损耗继续进行仿真分析，得到欠工况、额定工况和过工况时的磁钢涡损对比结果如表 3 所示，最小值和最大值分别为53 W、383 W，与电机铁耗相比较小。表 3 不同工况下磁极涡流损耗大小Tab.3 Eddy current loss of magnetic pole under different working conditions负载倍数0.60.81.01.2涡损/W5391187383永磁体涡流损耗和其他项损耗相比较小，但是在研究损耗发热中却不容忽视，因为磁钢容易过热退磁，造成不可控的意外，因此对永磁体涡流损耗的研究尤为重要。2.4 多工况下电机绕组铜耗研究该电机为多极多槽的永磁同步电机，较多的定子槽数决定了电机内部存在体积较大的绕组，绕组铜耗是因为电流通过时导体电阻的存在，在低速电机中存在铜耗占比高的实际情况。根据焦耳楞次定律，多项绕组情况下铜耗的表达式为Pcu=mI2R (4)式中：m绕组相数；I相电流有效值；R绕组电阻，计算中假设电流在导线截面上均匀分布。额定负载下的铜耗波形曲线如图 7 所示，绕组铜耗高达 13.20 kW，占所有损耗的 80%左右。负载增大时电流随之增大。由式（4）知，铜耗和 I2成正比。从表 4 知，在 1.2 倍过载工况下，铜耗值激增至 27.53 kW，电机效率也从理论上的 94%左右下降至 86%左右。因此在设计低速大转矩永磁电机时，控制绕组铜耗是实现较高效率所必需的。表 4 不同工况下绕组铜耗大小Tab.4 Copper loss of winding under different working conditions负载倍数0.60.81.01.2铜耗/kW3.925.4113.2027.533 样机制作与对比分析从各类损耗产生机理出发，降低电机损耗有多种措施：减小定子铁耗可以选择更加优良的硅钢片、增加铁心长度等；降低铜耗可以减小绕组的端部长度缩减路径；降低涡流损耗可以制作层间绝缘的铁磁薄片等11。但这些方式无疑会增加电机设计制造的成本，在实际中需要权衡。图 8 为研制的内置式永磁同步电动机样机生产现场，绝缘等级为行业标准 B 级。按照 GB/T 22669-2008三相永磁同步电动机试验方法得到基本数据，如表 5 所示。表 5 中参数误差值在 6.76%以下，电机效率达到 90%以上。生产制造工艺对电机性能也有重要影响，实际存在设备、装配工艺及环境参数等多方面误差源12。表 5 样机参数对比Tab.5 Comparison of prototype parameters 项目有限元值试验数据误差/%空载损耗/W2 031.32 168.76.76空载反电势/V232.6229.31.42转速/(r/min)33.532.173.97效率/%92.8791.161.854 结语电机损耗是决定电机能量转换效率和影响电机工作状态的重要原因。本文以某提升机械内装式永磁同步电机为研究对象，具体研究了额定工况下电机的铁心损耗、机械损耗、涡流损耗和绕组铜耗。定量分析了 0.6、0.8、1.0、1.2 倍负载工况下的损耗变化。研究表明，在不同的负载工况下绕组铜耗始终是低速大转矩永磁电机的主要损耗；随着负载增大，绕组铜耗变化最为显著，是决定电机工作效率的关键；铁心损耗和涡流损耗变化相对不明显。本文的研究为低速大转矩类永磁电机温升模拟和散热设计提供了理论支撑。图 7 额定负载下绕组铜耗Fig.7 Winding copper loss under rated load0 100 200 300 400 500时间/ms铜耗/kW2520151050图 8 样机制造现场Fig.8 Prototype manufacturing site（下转第 69 页）69第 61 卷第 10 期贯怀光 等：基于 ADAS 实验平台的车辆紧急制动 AEB 路测研究5 结语本文基于 ADAS 实验平台对车辆紧急制动AEB 功能进行路测研究。充分考虑 ADAS 实验平台 AEB 功能的实现，结合驾驶员特性及横向、纵向安全距离等策略，修正驾驶员反应时间及最小安全距离等参数，构建融合驾驶员特征的紧急制动及自动紧急制动 AEB 策略。根据 C-NCAP 制定了相应的测试规程，并以装载假 ADAS 系统的小型目标物承载平台 ATP VRU 为对象，对智能驾驶车辆的AEB 系统进行了试验测试研究。根据测试结果判断测试车辆 AEB 系统可正常激活，起到降低交通事故发生频率的作用，同时测试结果及数据可对车厂 AEB 系统进行调试及优化。参考文献1 宁 满 旭,王 三 舟,巴 腾 跃,等.无 目 标 物 驾 驶 重 型 汽车 AEB 控制算法及仿真 J.重庆理工大学学报(自然科学),2022,36(06):72-80.2 SONG Zhiqiang,JI Jinchen,ZHANG Ruifeng,et al.Development of a test equipment for rating front to rear-end collisions based on C-NCAP-2018J.International Journal of Crashworthiness,2022,27(2):522-532.3 ZHOU Hua,LI Xiaoyan,HE Xia,et al.Research on safety of the intended functionality of automobile AEB perception system in typical dangerous scenarios of two-wheelersJ.Accident Analysis and Prevention,2022,173:106709-106709.4 LI Shaohua,WANG Guiyang,WANG Hesen,et al.Automatic emergency braking/anti-lock braking system coordinated control with road adhesion coefficient estimation for heavy vehicleJ.IET Intelligent Transport Systems,2022,16(11):1521-1534.5 ZHU Yuan,XU Ruidong,AN Hao,et al.Research on automatic emergency braking system development and test platformC/2022 Fifth International Conference on Connected and Autonomous Driving(MetroCAD).IEEE,2022:1-6.6 JIANG Chengyue,MENG Xiangzhi,REN Lihai,et al.Relevance analysis of AEB control strategy and occupant kinematics based on typical cut-in scenarioJ.International Journal of Crashworthiness,2020,27(1):1-8.7 GUO Lei,JIA Yizhen,HU Xianghui,et al.Forwarding collision assessment with the localization information using the machine learning method J.Journal of Advanced Transportation,2022:1-10.8 ZENG Dequan,YU Zouping,XIONG Lu,et al.Improved AEB algorithm combined with estimating the adhesion coefficient of road ahead and considering the performance of EHBJ.Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,Part D:Journal of Automobile Engineering,2021.9 黄城,冀杰,陈琼红,等.考虑舒适性的 AEB 避撞算法及仿真验证 J.重庆理工大学学报(自然科学),2021,35(4):39-48.10 姚禹城,祝琳.基于行人横穿事故的AEB系统关键参数研究J.农业装备与车辆工程,2022,60(09):78-82.11 任立海,李星月,覃祯员,等.基于模糊控制的汽车自动紧急制动乘员离位仿真分析研究 J.重庆理工大学学报(自然科学),2021,35(04):32-38.12 刘宏伟,张杰,朱恩利,等.基于线控制动系统的 AEB 功能开发 J.汽车工程学报,2020,10(03):207-212.13 张春洲,石晶.高级辅助驾驶系统实验平台开发研究 J.农业装备与车辆工程,2019,57(07):17-20.14 ZENG Jie,YU Yinghong,DING Xuecong,et al.AEB-pedestrian protection model simulation and real vehicle applicationJ.s.n.,2022,12081:1208134-1208134,10.15 李晓阳,刘树伟.考虑驾驶员特性的行目标物避撞策略及仿真验证 J.专用汽车,2022(08):74-78,82.16 KANG M,LEE I,JUNG J,et al.Motion responses by occupants in out-of-seat positions during autonomous emergency brakingJ.Annals of biomedical engineering,2021,49(9):2468-2480.17 欧涛,蒋智文,李长华.用于装载假目标物的小型主动驱动平台 P.湖南省：CN213580099U,2021-06-29.18 杨刚,杨小青,钟欣.基于短时傅里叶变换和时域包络的 AEB系统预警声信号时间提取方法 J.汽车技术,2021(11):42-48.作者简介 贯怀光（1997-），男，工程师，硕士，研究方向：智能驾驶，主被动安全。E-mail：参考文献1 王秀和.永磁电机 M.北京:中国电力出版社,2010.2 朱托,李正,李孜.基于解析模型的永磁同步电机涡流损耗计算 J/OL.上海理工大学学报:1-92022-09-23.https:/doi.org/10.13255/ki.jusst.20210914002.3 段利聪.高速永磁同步电机的电磁设计与损耗分析 D.上海：上海电机学院,2021.4 段 树 成.多 工 况 下 永 磁 电 机 损 耗 研 究 分 析 J.防 爆 电机,2021,56(05):17-19.5 张维伟,胡洪益,晏才松,等.高速永磁电机转子风摩耗对温升的影响 J.电机与控制应用,2022,49(04):66-70,82.6 李敏,朱龙飞.PWM 逆变器供电下机器人用永磁电机定子铁心损耗分析 J.电子世界,2021(24):29-30.7 RENS J,VANDENBOSSCHE L,DOREZ O.Iron loss modelling of electrical traction motors for improved prediction of higher harmonic lossesJ.World Electric Vehicle Journal,2020,11(1):24.8 孙立翔,周晓燕.永磁同步电机的损耗分析 J.电工技术,2019(20):159-161.9 陈浈斐,邢宁,马宏忠,等.分数槽永磁电机永磁体谐波涡流损耗建模与分析 J.电工技术学报,2022,37(14):3514-3527.10 李伟,江晓波,孙鲁,等.带有不同屏蔽层结构的高速永磁电机转子涡流损耗分析与实验验证 J.现代机械,2022(03):39-43,57.11 张明娟,刘洪亮,安齐乐，等.控制电机损耗的几种工艺措施J.电机技术,2017(06):52-54.12 李 宏 宇.高 压 永 磁 电 机 生 产 工 艺 优 化 J.防 爆 电 机,2020,55(01):49-52.作者简介 李帅耀（1995-），男，硕士研究生，研究方向：电机与电器。E-mail： 通信作者 李家春，男，博士，教授，研究方向：新型农业装备、结构拓扑优化等。E-mail：（上接第 45 页）