永磁同步電動機損耗分離的應用研究

張永平，段小麗，郭英桂

(晉中學院，晉中 030600)

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永磁同步電動機損耗分離的應用研究

張永平，段小麗，郭英桂

(晉中學院，晉中 030600)

永磁同步電動機的低損耗高效率是其獲得廣泛應用的優(yōu)勢之一，精確分析永磁同步電動機的各項損耗是電機相關性能設計及優(yōu)化的重要條件。從工程應用角度出發(fā)，依據(jù)電機的常規(guī)測試，根據(jù)電流和功率損耗與電壓關系的雙V形曲線，研究適合工程應用的鐵耗、機械損耗和雜散損耗的分離方法。樣機驗證各項損耗的分離值與實測值相比，誤差在5%以內，表明該損耗分離方法的正確性和實用性，能夠滿足工程實際的應用需求。

損耗；分離；雙V形曲線；工程應用；永磁同步電動機

0 引 言

永磁同步電動機的低損耗高效率是其獲得廣泛應用的優(yōu)勢之一。電機的損耗一方面是浪費電能源，降低運行效率,另一方面會造成電機溫升的增高。較高的溫升,其一是會造成絕緣材料的老化加快,縮短電機的使用壽命；其二是會影響電機的穩(wěn)態(tài)運行，因而準確測試電機的損耗就顯得尤為重要。永磁同步電動機的損耗主要有定子繞組銅耗、機械損耗、鐵耗、雜散損耗(也稱為附加損耗)，實際當中,后三項損耗的實驗測試要求具備有較高的設備條件，給工程應用增加難度。近年來有關永磁同步電動機的損耗及損耗分離的文獻資料大多從理論上探究各項損耗的機理和分離方法,如鐵耗的時域算法和頻域算法，電機各種損耗及分離的有限元仿真分析等。這些研究在實際當中的操作難度大, 因而從工程應用角度出發(fā)，探究有效易行的損耗分離方法具有實際意義。

本文以紡織機械配套用內置式結構的永磁同步電動機FYT3000為例，依據(jù)電機的常規(guī)測試，根據(jù)電流和功率損耗關于電壓的雙V形曲線，從電機的空載和負載兩個方面研究從總損耗中分離鐵耗、機械損耗和雜散損耗，導出分離上述三種損耗的實用計算方法，滿足工程實際的應用需求。

1 電機結構

紡織機械配套用永磁同步電動機的工作環(huán)境溫度較高，且處于多棉、毛、麻、絲等多纖維的復雜工況，要求電機具有低損耗高效率、較強的自啟動能力和過載能力。紡織用永磁同步電動機，除風罩需進行特殊設計，以滿足多纖維工作環(huán)境，轉子采用鼠籠導條直接面向氣隙的磁體內置式結構，圖1所示為紡織用永磁同步電動機的并聯(lián)式磁路轉子結構圖。該結構電機具有較強的自啟動能力，且因直交軸磁阻不相等，造成不對稱的轉子磁路，從而產生的磁阻轉矩利于提高電機的過載性能。因轉子鐵心內需要安放永磁體，無法按異步電機的設計思路，轉子采用扭斜一個定子齒距的結構，因而齒諧波的影響較嚴重，會造成雜散損耗的急劇增加。為此通常設計為定子鐵心扭斜方案，以犧牲增加定子鐵心的疊裝難度和工人的嵌線難度換取雜散損耗的降低，提高電機的運行效率。

圖1 并聯(lián)式磁路轉子結構圖

2 損耗分析

2.1 定子銅耗

當電流流過定子繞組時，根據(jù)電流的熱效應原理，在定子繞組中產生的焦耳熱稱為定子銅耗。我們知道，銅耗與定子相電流的平方成正比關系，三相永磁同步電動機定子銅耗的計算式如下：

(1)

式中:Ia為定子相電流；Ra為定子繞組相電阻。

永磁同步電動機穩(wěn)態(tài)運行時，因氣隙磁場的旋轉速度與轉子旋轉速度相同，二者無轉差，因而在轉子繞組中無銅耗產生，這是永磁同步電動機有別于異步電機實現(xiàn)高效率的原因之一。

2.2 機械損耗

電機運行時，其轉子鐵心與空氣的相互摩擦、旋轉軸與軸承的相互摩擦以及旋轉軸與聯(lián)軸器的相互摩擦等引起的損耗統(tǒng)稱為機械損耗，也稱為風摩耗。其大小與摩擦面的摩擦系數(shù)、軸承的質量與軸承室的配合、電機的裝配方式和裝配質量等許多因素有關。理論研究表明，電機的機械損耗與轉子的旋轉速度近似成正比關系，即有：Pmec∝n。

2.3 鐵耗

鐵耗是電機鐵心中磁滯損耗和渦流損耗的總稱。目前鐵耗的理論計算通常采用由Bertotti于1988年提出的三相式模型實現(xiàn)。影響鐵耗的大小有鐵磁材料的性能質量、鐵心疊壓系數(shù)等許多因素。理論研究表明，在通常情況下，鐵耗與定子相電壓的平方近似成正比關系，即有：PFe∝U2。

2.4 雜散損耗

3 損耗分離研究與計算

本文試驗電機型號為FYT3000，轉子結構如圖1所示，電機基本參數(shù)如表1所示。

表1 試驗電機參數(shù)

電機鐵心材料為冷軋硅鋼片50W470，定子繞組為Y接法。

3.1 空載損耗分離

將試驗樣機空載運行，電壓以高于額定電壓值逐步下調，測量每一組電壓值所對應的空載相電流Io和空載輸入功率Po。

Po′=Po-Pcuo=Pmec+PFe+Ps

(2)

上述的測量與計算值如表2所示。

表2 空載試驗的測量與計算值

根據(jù)表2的電機空載試驗所測量與計算的數(shù)據(jù)，繪制出空載電流與可調電壓間Io=f(U)關系的V形曲線，如圖2所示。當所調電源電壓U與空載電勢Eo相等時(Eo由永磁體的磁勢決定，為一恒定值，本文試驗樣機所測的空載電勢Eo=301 V)，此時空載電流Io出現(xiàn)最小值，偏離此點，無論U>Eo或Eo

圖2 Io=f(U)的V形曲線

根據(jù)表2的電機空載試驗所測量與計算的數(shù)據(jù)，除定子銅耗外的機械損耗、鐵耗、雜散損耗之和Po′與可調電壓U所繪制的Po′=f(U)關系的V形曲線，如圖3所示。當調節(jié)電源電壓，空載電流出現(xiàn)最小值時，由上文分析可知，永磁同步電動機的定子銅耗和雜散損耗與電流的平方成正比或近似正比關系，銅耗和雜散損耗也將出現(xiàn)最小值(但Po非最小)，因為此時空載電流的量值也較小，則表明此點處電機損耗的構成主要是鐵耗和機械損耗成分。

圖的V形曲線

根據(jù)圖2和圖3實驗測試和計算所得的雙V形曲線，分析研究永磁同步電動機的機械損耗、鐵耗和雜散損耗的分離方法，步驟如下：

(1)在圖2的V形曲線上找出額定電壓為UN時相對應的空載電流，記作IoN；在圖3的V形曲線上找出額定電壓為UN時相對應的機械損耗、鐵耗和雜散損耗之和，記作PoN′。

(2)在圖2的Io=f(U)的V曲線上找出與空載電流IoN相等的另一電流Io1。注意兩電流IoN和Io1在數(shù)值上相等，但性質不同：在進行空載電壓調節(jié)時，IoN為高電壓(U>Eo)所對應的電流值，此時空載運行的電動機呈欠勵狀態(tài)，IoN在相位上滯后于空載電壓U，IoN為感性電流，電壓電流相量圖如圖4(a)所示；Io1為低電壓(U

(a)感性電流(b)容性電流

圖4 空載相量圖

(3)在圖2的Io=f(U)的V曲線上找出與Io1相對應的空載電壓U1；在圖3的V形曲線PoN′上找出與空載電壓U1相對應的三相損耗之和Po1′。

(4)在圖3中相應的U1和UN(Io1=IoN)這兩點處，因永磁同步電動機轉子轉速始終為同步轉速，是一恒定量，而Pmec∝n，故機械損耗Pmec在任意電壓下為一不變的常量，則顯然有(3)、(4)兩式：

PoN′=PFeN+Pmec+PsN

(3)

式中：PFeN,PsN分別為圖3的V形曲線Po′=f(U)上電壓UN對應的三項損耗之和PoN′中所包含的鐵耗和雜散損耗。

(4)

式中：Ps1為圖3的V形曲線Po′=f(U)上電壓U1對應的三項損耗之和Po1′中所包含的雜散損耗值。

因在U1和UN兩點處的電流Io1=IoN，而雜散損耗與電流的平方近似成正比關系，則有：Ps1≈PsN。

(5)將式(3)、式(4)兩式相減，整理可得：

(5)

式(5)中數(shù)據(jù)皆可由圖3查得，則由式(5)可求出空載狀態(tài)下額定電壓時的鐵耗值。

(6)從圖2的V曲線Io=f(U)上找出電流最小值Imin所對應的空載電壓，記作U2。在圖3的V形曲線Po′=f(U)上找出與空載電壓U2相應的三項損耗之和，記作Po2′，顯然有：

(6)

式(6)中：Ps2為圖3的V形曲線Po′=f(U)上電壓U2對應的三項損耗之和Po2′中所包含的雜散損耗值。同時，因U2(等于空載電動勢Eo)點對應的電流為最小值，由表2和圖2可見，此值量很小，若忽略，可近似認為此點處的雜散損耗Ps2≈0，則由式(6)可得：

(7)

通過式(7)即可求出機械損耗。

(7)由式(5)和式(7)所求PFeN和Pmec已知后，便可由式(8)求得任意電壓U時的空載雜散損耗值：

(8)

由上述空載試驗時根據(jù)雙V形曲線下分析的損耗分離方法，則可求得本文試驗用電機的各項損耗值，如表3所示。

表3 空載時各項損耗的計算值

3.2 負載損耗分離

永磁同步電動機的負載運行試驗，定子繞組電壓由高到低逐步調節(jié)時，負載電流隨著變化，記錄每一組U-I數(shù)據(jù)。試驗時，因電磁轉矩與定子相電壓的平方成正比，電壓不可調節(jié)過低，避免拖動系統(tǒng)出現(xiàn)“悶車”現(xiàn)象，電流上升過快，長時間會損壞電動機。

電機的總損耗：

ΣP=PCu+Pmec+PFe+PS

(9)

負載損耗分離方法如下：利用式(1)求出電機負載時的定子銅損耗；因電機始終運行于恒定的同步轉速，負載時機械損耗與空載時近似相等；當負載的可調電壓與空載相同時，同一電壓下的鐵耗也近似相等。

雜散損耗主要因高次諧波引起，其準確的計算分析較為復雜，至今仍不夠完善。實際上，因負載電流的變化，可變的雜散損耗與電流的平方近似于成正比關系，與空載相比，在同一電壓和轉速下，負載時雜散損耗可近似用式(10)求解：

(10)

式中：I1為負載電流；ps為空載時的雜散損耗，比例系數(shù)KS由經(jīng)驗選取。額定負載時，樣機的空載與負載電流比Io/IN=0.61，KS取值通常在0.45～0.47之間。

這樣，負載時在已知定子銅耗、機械損耗、鐵耗和雜散損耗的情況下，利用式(11)即可求得電機的效率。

(11)

式中：P1為電機從電網(wǎng)取用的電功率。我們知道，當電機的不變損耗(機械耗+鐵耗)與可變損耗(銅耗+雜散耗)相等時，電機的總損耗最小，效率最高，實際上永磁同步電動機具有很寬的經(jīng)濟運行區(qū)域。

3.3 計算分析

由上述負載損耗分離法，求得樣機在額定負載時各項損耗計算值與實測值比較如表4(額定負載時的銅損耗PCu=91.0 W)。

表4 額定負載時各項損耗的計算值與實測值比較

表4中的Δ表示計算值與實測值間的誤差率。雜散損耗PS的計算值與實測值間的偏差，一方面是上文中兩次近似等效后誤差疊加的結果，另一方面與比例系數(shù)KS的選取有關。永磁同步電動機因氣隙磁場的諧波含量較高，雜散損耗較同容量的異步電動機大(3 kW、4極異步電機的雜散損耗為60 W左右)。

由表4可見，分析各項損耗的計算值與實測值的誤差，雜散損耗的誤差較大，機械損耗的誤差較小，但各項損耗的誤差均在5%以內，精度能夠滿足工程應用的需求。

4 結 語

永磁同步電動機損耗的大小影響電機穩(wěn)態(tài)運行的效率和溫升的高低，正確分析永磁同步電動機的各項損耗大小與構成及其規(guī)律探究是電機相關性能設計及優(yōu)化的重要條件。本文依據(jù)電機的常規(guī)測試，根據(jù)電流和損耗功率關于電壓的雙V形曲線，并應用這兩種V形曲線的對應點分析法，研究從電機總損耗中分離銅耗、鐵耗、機械損耗和雜散損耗，并導出各項損耗的計算方法，計算分離所得各項損耗值與實測值的誤差較小，精度較高，能夠滿足工程應用的需求，表明本文損耗分離方法的正確性和實用性，具有實際參考價值。

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Research on Loss Separation of Permanent Magnet Synchronous Motor Applied in Engineering

ZHANGYong-ping，DUANXiao-li，GUOYing-gui

(Jinzhong University，Jinzhong 030600，China)

The low loss and high efficiency of permanent magnet synchronous motor is one of the advantages be widely used.It is important to analyze the every type of losses of permanent magnet synchronous motor in the design and optimization of the motor performance.From the point of view of engineering application, according to the conventional motor test and double V shape curve of current and loss power on voltage, the methods of separating iron loss, mechanical loss and extra loss applied in engineering were studied.Compared with the measured value, the calculation of the value of loss separation is less than 5%.It shows that the method is correct and applicable, and can meet the requirement of engineering application.

loss； separation； double V shape curve； engineering application； permanent magnet synchronous motor

2016-03-22

TM351

A

1004-7018(2016)09-0046-04

張永平(1966-)，男，副教授，高級工程師，主要從事電機及其控制技術的研究和電工學等課程的教學工作。