永磁電機溫升特性因子研究

高明世 吳文賢 肖勝宇

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

溫升對電機運行特性的影響是一直存在的，也是電機設(shè)計中必須要考慮的環(huán)節(jié)[1]。只是在實際仿真環(huán)節(jié)，Ansoft軟件平臺Maxwell 2D、3D設(shè)計時，較難全面高效的講溫升影響結(jié)合進去。對電阻的影響可能比較容易，對鼠籠、磁石的影響是較難直接融入設(shè)計的[2]。

溫升對于永磁電機，影響較大的是繞組的電阻、磁石的剩磁矯頑力；特性影響轉(zhuǎn)矩/電流、銅損、過載能力、恒功率上限值，溫升上限值對應(yīng)的電機安全使用功率上限[3,4]。九系鐵氧體磁石溫度特性值見表1。

表1 九系鐵氧體磁石溫度特性值

本文研究電機運行期間溫度40 ～ 100 ℃不等，針對變頻電機其會同時對應(yīng)工況（負載）和轉(zhuǎn)速。本文旨在從仿真和實測的角度來探究溫升對電機性能、特性的影響，尤其是涉及工作點設(shè)計和匹配的問題探討。從而弄清楚溫升對永磁電機設(shè)計的影響。

1 實測及分析

內(nèi)置電機在匹配負載測試，發(fā)現(xiàn)電機測功臺測試電流與負載測試電流偏離較大。

表2數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)置式電機匹配時，電流差異遠遠大于表貼式，從磁石的特性上來看，兩者對應(yīng)工作溫度的磁特性下降應(yīng)該是相當?shù)模源攀墓ぷ鼽c應(yīng)該是比較吻合才對。而數(shù)據(jù)上顯示截然不同。我們需要從仿真的角度和試驗的角度多方面來探究。

表2 測功機與負載測試電流差異數(shù)據(jù)

2 理論及仿真模擬分析

1）首先針對磁石的溫度特性進行仿真，并將銅損的影響考慮進來，修正電機性能仿真結(jié)果如圖1。

圖1 電機不同溫度時電機理想能效

①溫升導致變化在于重載銅損顯著增加，電機性能下降，繞組溫升會惡化；

②溫升導致磁石剩磁下降，磁鏈降低，轉(zhuǎn)矩/電流下降，鐵損也降低，最佳性能點向轉(zhuǎn)矩低移動，電機的承載能力下降；

③溫升小影響較小，如果溫升大負載跨度大，會產(chǎn)生較大影響。如果是鋁線電機的話，溫升對性能的影響就會明顯加大。

2）分析內(nèi)置式永磁電機溫升仿真和不考慮溫升仿真差異，整合數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同溫度銅負載性能差異對比仿真結(jié)果

仿真數(shù)據(jù)反映，切向式電機在溫升50 ℃以內(nèi)，對匹配應(yīng)用額定點性能影響在（+ 0.3 ～ - 0.2）%之間，綜合來看溫升并未像該工作開展之初的理解：“溫升會導致電機性能下降”的結(jié)論，合理的設(shè)計應(yīng)用，溫升可以有利于綜合應(yīng)用提效。

分析特性，溫升導致的磁特性下降，導致的最佳工作點移動與壓縮機應(yīng)用工況負荷變化是較為一致的，故出現(xiàn)了性能提升的情況，當溫升繼續(xù)上升，性能最佳點移動超過使用點，就不利于使用。

3）仿真顯示，隨溫升電流的上升率，其與磁鏈下降率、反電勢下降率是較為直接關(guān)聯(lián)的。表一顯示，磁石的工作點表征磁密線性度是較高的，電機運行過程中漏磁也較為穩(wěn)定，故仿真結(jié)果中轉(zhuǎn)矩輸出、運行電流、磁鏈、磁石溫度特性，對應(yīng)的都是很吻合，有利于我們理清溫度對電機性能、特性的影響，也較為容易實現(xiàn)特性校正和仿真近似預(yù)估。這里的校正是指不更換對應(yīng)溫度磁性材料參數(shù)仿真的情況下，針對應(yīng)用點進行性能、特性偏離的預(yù)估校正。

3 試驗結(jié)果及分析

實測內(nèi)置式、表貼式電機方案在75 ℃時磁鏈下降率為9.5 %、7.1 %。但實測性能的影響卻有較大的差異。

測試是采用保溫箱和加熱風筒的方式，并采用溫度巡檢儀檢測繞組溫度，實際磁鏈在穩(wěn)定后停機測試磁鏈，與目標值基本吻合，可能存在一定的偏離。內(nèi)置式永磁電機不同溫升性能見圖2。

表4 同轉(zhuǎn)矩下不同溫度時電流增長率磁鏈下降率

圖2 內(nèi)置式永磁電機不同溫升性能

單純從性能曲線來看，溫度升高，電機性能是上升的，且較多，重載時性能還是常溫高，這與仿真是吻合的。這組測試數(shù)據(jù)中，不妥的地方是常溫測試時，工裝為冷態(tài)，工裝損耗可能偏大，導致分析較為困難。后文中表貼式電機測試時考慮到這個環(huán)節(jié)，同比數(shù)據(jù)更可信。切向式電機測試數(shù)據(jù)進一步分析電流變化率和磁鏈變化率。內(nèi)置式電機不同溫度下電流上升率

電流上升率要小于仿真值，按1 620 rpm數(shù)據(jù)分析，下降偏離- 12.5 %、- 12.3 %。因電流受驅(qū)動穩(wěn)定性、負載一致性影響較大，反而反電勢、驅(qū)動電壓能夠更反映實際情況。電壓下降率與仿真更為吻合。后續(xù)研究溫度工作建議可測試停機反電勢來評估空載磁鏈下降真實值，準確性更高。表貼式永磁電機不同溫升性能見圖3。

表5 內(nèi)置式電機不同溫度下電流上升率

該電機測試時，常溫時，是后測試，工裝還保持較高溫度，盡量保證工裝損耗的一致，本次測試結(jié)果常溫與加熱的結(jié)果與仿真趨勢較為吻合。表貼式電機不同溫度下電流上升率見表6。

表6 表貼式電機不同溫度下電流上升率

75 ℃最佳性能移動到輕轉(zhuǎn)矩區(qū)間，與仿真趨勢吻合。

4 總結(jié)

1） 探究了切向式電機，應(yīng)用特定負載時溫升的影響，針對溫升較低的機型可以忽略，銅線電機影響在0.5 %以內(nèi)，針對溫度高、溫差大的機型需重點考量。

2） 電流與磁石工作點、每一臺使用電機的磁鏈值都息息相關(guān)，同方案設(shè)計電機磁鏈波動5 %以內(nèi)都屬于正常，不能單純的從電流增加幅度、磁鏈、反電勢變化率來簡單粗暴的分析匹配效果。建議用同一個定子和轉(zhuǎn)子來研究，避免波動誤差，影響分析結(jié)論。