基于有限元法的永磁同步电机铁耗计算

2016年第8淛y信息疼甲文章编号=1009 -2552 (2016)08 -0035 -04 DOI：10.13274/ki.hdzj.2016. 08. 010

基于有限元法的永磁同步电机铁耗计算

刘文生\邹春花2，叶洋滔2，周爱淇2，卢浩2，肖凤1，杜怿2

(1.江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013; 2.江苏大学电气信息工程学院，江苏镇江212013)

摘要：给出了永磁同步电机铁心损耗的计算模型以及铁耗计算的一般方法。通过有限元分析，得出定、转子铁心不同区域磁场的变化规律。综合考虑电机中交变磁场与旋转磁场的影响，对 永磁同步电机的铁耗进行了分析计算。给出其不同位置的损耗密度以及电机中各种损耗的含量，为进一步对电机进行优化设计、减少损耗奠定了基础。

关键词：永磁同步电机；有限兀分析；铁心损耗；交变磁场；旋转磁场

中图分类号：TM355 文献标识码：A

I r o n lo ss c a lc u la tio n o f a p e r m a n e n t m a g n e t s y n c h r o n o u s

m a c h in e b a s e d o n F E M

L IU W e n-s h e n g1，Z O U C h u n-h u a2，Y E Y a n g-ta o2，Z H O U A i-q i2，L U H a o2，X IA O F e n g1，D U Y i2

(1. School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang212013, Jiangsu Province，China；

2.School of Electrical and Information Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang212013, Jiangsu Province，China) Abstract: An iron loss calculation model and a general iron loss calculation method ol permanent magnet synchronous machines are presented in this paper. The regular pattern ol magnetic lield for different parts in the stator core and rotor core are obtained by linite element method ( FEM). Considering the influence of alternating and rotating magnetic lield，the iron loss of a permanent magnet machine is analyzed.

Finally，the loss density of different positions and the components of different losses are obtained，which is the base of further optimization design lor reducing the loss.

Key words: permanent magnet synchronous machine ；finite element method ；iron loss ；alternating magnetic field；rotating magnetic field

0引言

高效率、低成本一直是电机设计所追求的目标, 因此，电机优化设计的过程通常就是提高功率密度、降低损耗的过程。电机的损耗主要包括铜耗、铁耗、附加损耗、机械损耗等，其中铁耗是由电机中的各种 磁场在铁心中发生变化产生的，是电机的主要损耗 之一■，一■般在总损耗中所占比例较大,尤其是高速电 机[|]。当电机处于高转速时，电机铁心内的磁场变 化频率较高，铁耗会急剧增加,最终导致电机温升增 加，效率降低[2]。因此，研究铁心损耗的形成机理 以及铁耗中各种成份的比重，对其进行较准确的预 测、计算和测试，对提高电机效率、提高材料利用率 和整体设计水平都具有极为重要的意义。

然而，由于铁磁饱和所带来的非线性问题，运用 解析法并不能准确计算铁耗，数值法是获得准确解 的唯一途径[3]。为了研究电机的铁耗，需要建立铁

耗计算模型[4-5]，旋转电机中铁磁材料的损耗除了 有磁场交变损耗外，还有旋转磁化条件下的铁耗[6-7]。为了得到准确的铁耗值，需要分析铁心材 料的高频特性和铁心中的磁场变化规律，对于这种 精确计算,运用有限元法是非常必要的。有限元法 是一种高效能的数值计算方法，是目前计算铁耗最收稿日期：2015 -08 -28

基金项目：江苏大学高级人才启动基金项目（14」DG169)；江苏大学研究生培养创新工程项目（KYLX_1047)

作者简介：刘文生（1967 -),男，硕士研究生,从事机电一体化技术工作。

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常用的方法之一。本文基于一台24槽4极永磁同 步电机，首先建立了电机有限元分析模型，分析了铁 心叠片内的电磁场，得到了电机各部分的铁心磁密; 其次综合考虑交变和旋转磁场的影响，应用一种在 已知铁心磁密前提下的有限元算法，基于分频法对 铁耗进行有限元分析，最后对铁耗中的各种成分进 行了分析比较。

1铁耗分析

1.1电机模型

本文运用有限元法对一台24槽4极永磁同步 电机进行了铁耗计算，电机结构如图1所示，电机的 详细参数如表1所示。电机采用短距绕组，绕组连 接方式如图2所示，绕组节距为5。

图1永磁同步电机结构图

图2绕组连接

表1电机参数

参数数值参数数值定子槽数

24气隙厚度/mm0.5定子外径/mm112叠片厚度/mm60

转子内径/mm55每相绕组匝数35

转子永磁体极对数2频率/H z60

额定转速度/(r/m in)1800峰值电流/A4

1.2铁耗计算模型

1.2.1基于Bertotti铁耗分离模型的铁耗计算

铁耗主要由磁滞损耗、经典涡流损耗以及异常 涡流损耗构成。其中，磁滞损耗是由于铁心内部磁 畴在磁场的作用下相互碰撞摩擦产生的；电机旋转 导致各部分磁场随时间发生变化，而变化的磁场则 会在导体中产生涡流，涡流通过导体电阻产生能量 损耗，这类损耗被称为经典涡流损耗;而异常涡流损 一 36 —耗是由于磁畴壁不连续运动产生的巴克豪森跃变产 生的损耗。

硅钢片铁心损耗的准确计算一直是电磁学的难 题，目前比较经典的铁耗计算方法中，通常仅考虑交 变磁化的影响，例如基于Bertotti铁耗分离模型[8]的铁耗计算，其模型可以表示为：

PF e=Ph+Pc+P e= Kh fB：i+KG f2B2m +Ke f15B t5

(1)式中，P&为铁耗，Ph为磁滞损耗，^为经典涡流损耗，&为异常涡流损耗，Bm为磁通密度幅值，/为频率，Kh 为磁滞损耗系数，仄为经典涡流损耗系数，^为异常损耗系数，a为磁滞损耗系数。这些参数的求取方法 很多，广泛采用的是根据不同频率、不同厚度的硅钢 片测得的损耗曲线，采用数学方法拟合得到。

基于Bertotti模型的铁耗计算概念直观，计算方 便，然而，该方法忽略了铁心旋转磁化的影响，导致 其计算结果误差通常较大。

1.2.2考虑交变磁化和旋转磁化影响的铁耗计算

事实上，电机中任意一点的磁密几乎都受到交 变磁化和旋转磁化两种磁场的作用，考虑两种磁化 作用进而计算铁耗，能有效改善铁耗计算的精度。

电机中各位置磁密波形都可以分解成一系列的 谐波分量，电机的铁耗等于其基波和各次谐波分量 产生的铁耗之和[9]。因此，可以将&次椭圆形旋转 磁场的磁密谐波分解成切向和径向2个相互正交的 交变磁密，此时，椭圆形旋转磁场产生的损耗将等效 为两个正交的交变损耗[1°]，因此，铁耗的计算模型 可以表示为：

PF e=Kh/Bm+2nK//E(J(丨r .dB…

Ke

8.763363 T f^1

n T

S(j(l

71J n

dB

di

、k r 2

d i丨

k r 丨1.5 +丨dBk t

di

+1 ^l^di) +

di

丨15)

di)(2)式中，n为所计及的谐波次数，/为基波频率，Br和Bi 为铁心中的径向和切向磁通密度。

1.3铁耗计算流程

为提高铁耗计算的精度，本文采用公式（2)对 一台永磁同步电机进行铁耗计算。计算流程如图3 所示，磁滞损耗、经典涡流损耗以及异常涡流损耗会 随着磁密的变化而变化，为了分别计算这三种损耗，首先需要建立磁密分析模型，然后得到电机各部分 磁密随时间的变化情况。对每个有限元单元的磁密 进行谐波分析，得到各次谐波的频率和幅值，并代入 铁耗分析模型中。而模型中的各个损耗系数则可以 根据硅钢片在各个频率下的损耗特性，运用回归分

析方法得到。