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永磁起动发电机在弱磁条件下磁场与涡流损耗分析

2024-08-05 112 上传者：管理员

摘要：永磁起动发电机在工业领域尤其是在电动汽车行业应用广泛，因此，相关科研工作者必须加大对永磁起动发电机技术的研究力度，以优化和完善包括永磁起动发电机在内的各项电机技术。基于此，文章主要研究了永磁起动发电机在弱磁条件下磁场与涡流损耗问题的具体情况和实际解决思路，分析了弱磁场控制和涡流损耗等情况，并通过仿真对弱磁场控制和涡流损耗优化设计进行探讨。仿真结果表明，可以采用“一”型磁极结构作为永磁体设计的主要选择。

关键词：
发电机技术
弱磁条件
永磁起动发电机
涡流损耗
磁场
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近年来，我国电动汽车产业获得巨大发展，这与我国在发电机技术领域的突破有非常密切的关系，但从实际应用的情况来看，相关应用需求对发电机技术提出了更高的要求。其中，弱磁场条件下的磁场与涡流损耗问题是一项非常重要的课题，如果能够通过有效手段将损耗降低，对提升发电机效率有着关键性影响，这也是目前业界和相关研究机构高度重视的研发领域。

1、永磁起动发电机涡流损耗概述

永磁起动发电机系统被广泛用于电动汽车的驱动设计，性能优势主要体现在以下三个方面：一是功率密度更高，二是转矩密度更大，三是调速范围更宽[1]。永磁起动发电机系统能够实现上述应用优势，与其形状、尺寸设计更加灵活有直接关系，其在电动汽车设计中占有重要的地位。从技术角度来看，与电励磁同步电机运转机理相比，永磁电机有着根本性的不同，最主要的差异就是利用永磁体形成励磁磁场，和流经电机电枢绕组的电流作用，形成电磁力，驱动电机旋转工作[2]。在进行永磁起动电机的设计时，需要分析转子永磁体在工况下产生的涡流损耗，并将其作为电机设计的关键指标。因为电机转子永磁体内产生的涡流损耗会导致大幅度温升，不但会降低电机的工作效率，还会对电机性能产生负面影响[3]。

对涡流损耗情况进行分析，考虑理想情况，电机运行时转子与气隙磁场保持同步，转子内部会形成涡流损耗。但实际上，电机的气隙磁场中会存在各种谐波，这些谐波强度有很大差异，并在转子永磁体内形成涡流损耗。如果电机是低速状态运转，此时永磁体内形成的涡流相对比较小，可以将其影响忽略[4]。但是当电机处于高速运转状态下，电机转子速度以及谐波都会变大，在转子永磁体内产生的涡流损耗影响也越来越大，且这种影响在弱磁工作条件下会进一步加剧，这是因为电机的励磁磁场和磁电流磁场在电机内形成耦合，速度增大导致气隙磁场在正弦性能方面迅速下降，而转子永磁体的表面磁通也会出现较大幅度的变化，这将进一步增加涡流损耗，当达到一定程度时甚至会导致永磁体发生退磁，且退磁是不可逆的。

正常情况下，导致永磁起动发电机存在涡流损耗的谐波是因为电机定子绕组的形状、结构和尺寸影响到磁场的空间分布而出现的，主要是由转子永磁体的空间谐波、电机定子电流引发的时间谐波以及电机齿槽影响形成的不均匀磁导分布共同构成的齿谐波，要解决永磁起动发电机涡流损耗问题，最根本的设计思路还是想办法通过有效途径来减少这些谐波的影响。

2、永磁起动发电机的弱磁控制分析与涡流损耗分析

2.1 永磁同步电机基本结构

为更有效分析永磁起动发电机在弱磁场条件下的磁场与涡流损耗情况，选择电动汽车用永磁同步电机作为研究对象，基于基本结构以及具体参数的设定进行分析，找到电机正常工作状态下的工作机理。

1)电机结构。

本研究的电动汽车用永磁同步电机，外为扁平状，以适应汽车使用的空间要求。汽车永磁同步电机基本参数如表1所示，整个电机的轴向距离设计为60 mm，电机额定功率35 kW，采用了极槽配合的结构模式，极槽结构中含有12极和18槽。从整个结构来看，电机的轴向距离相对较短，为规避这一限制，设计中对定子的绕组方式选择了定子每个齿只对应每极每相绕组的分数槽集中绕组。这种设计可有效减小绕组的端部长度，并有助于降低实际铜耗，这对提升电机效率以及降低电机温升是非常有效的。本研究中的汽车永磁同步电机定子绕组极槽配合以2极3槽来实现设计功能，电机极槽配合不存在1/2、1/4、1/8等次谐波，只包括除了3的倍数的整数次谐波[5]。电机的定子绕组线圈端部不会发生重叠和交叉的情况，此时可将绕组绝缘省略。在实际生产中，电机定子加工可利用冲片分块方式，对电机定子绕组的生产可以通过自动绕线方式实现，这将大幅提升制造效率。

表1 汽车永磁同步电机基本参数

2)电机磁极结构说明。

磁极结构会对电机的性能产生非常大的影响，也是本文所重点关注和研究的内容，为此，需要在弱磁条件下针对各种转子磁极结构对永磁体涡流损耗进行分析。基于这一设想，在转子的磁极结构优化设计方面，主要考虑了两种磁极结构模式，分别为“一”型磁极结构和“V”型磁极结构。电机磁极结构设计的主要原则：一是确定定子的结构参数，主要是结构尺寸、转子尺寸；二是确定电机转子永磁体磁极结构在分块数量上保持一致；三是确定电机转子永磁体磁极结构有充分的可比性[6]。在此情况下，当流经电机定子绕组的电流完全一致时，能够保证统一的弱磁条件，进而对转子永磁体涡流损耗情况进行探讨。其外部条件变化包括：弱磁角、转速和去磁电流，在此基础上，对相关问题进行研究，可以得到比较全面的结果。

2.2 永磁起动发电机弱磁控制分析

正常运转状态下，电机的控制主要有两种模式：一是恒转矩控制模式，就是电机的转矩输出恒定；二是恒功率控制模式。就是电机的功率输出不变。但近年来技术研发提供了第三种控制模式选择，就是单位电压最大转矩控制模式。这三种永磁起动发电机工况下的弱磁运转模式是目前研究所考虑的最主要方向。在永磁起动发电机转速持续增加过程中，弱磁场控制会按照确定轨迹发展，恒转矩弱磁控制模式下，整个电机的转矩输出恒定，整体运转状态平稳，涡流损耗基本可以忽略不计。当电机转速继续增大，电机的电压和电流都达到并稳定在最大值，此时，电机工作处于恒功率弱磁转矩状态，当弱磁角度逐渐增加，转矩逐渐降低，输出功率恒定，涡流损耗会随着转速的增加而增加，造成电机整体运转转换效率降低[7]。当电机的转速进一步增加，定子电流会进一步减小，而电机的输出电压达到最大值，并在该数值保持稳定运行，这一工作阶段就是单位电压最大转矩控制模式，此时涡流损耗达到非常高的水平。弱磁条件下对永磁起动发电机逆变时的限幅电压和限幅电流进行探讨，电流求解要符合电压、电流约束方程，其函数表达式如下：

Id2+Iq2=I2max(1)

式中，Id、Iq为电流在d、q轴方向上的分量，Ld、Lq是电感在d、q轴方向上的分量，Imax、Umax为逆变器能够接受的最大电流和最大电压，ωr为电机转子的运动角速度，λPM为转子永磁体磁通量最大幅值。

2.3 永磁起动发电机涡流损耗分析

对永磁体涡流损耗形成机理进行分析，最主要的原因就是电机工作时产生的磁场谐波与转子永磁体形成相对运动，感应形成电动势，并产生涡流，这些涡流会因为永磁体的高电导率而形成较大损耗[8]。转子涡流损耗的分析方法：系统深入地探究电机转子永磁体的磁密度，并通过求解永磁体内部形成的感应电动势以及涡流流经通路的电阻，对转子永磁体涡流损耗进行计算。电机转子永磁体磁通密度函数与时间和空间有直接关系，可以将时间和空间视为自变量，其表达式为：

式中，m为时间谐波次数，n为空间谐波次数，Bmn为永磁体内mn次谐波磁密度，ωmn为mn次电流的角频率，θmn为mn次谐波的相位角度，t为时间。如果永磁体内流经的磁场分布均匀，此时的磁场会与永磁体充磁的方向完全一致，其垂直平面内会产生电涡流，按照楞次定律，对转子永磁体感应形成的电动势进行求解，具体的求解方程为：

基于电机端部效应的分析，对电机转子永磁体涡流损耗数值进行求解，求解方程可表达为：

对电机转子永磁体功耗进行求解，可以通过积分计算来获取。转子永磁体的涡流损耗具体的求解方程为：

3、永磁起动发电机弱磁环境下涡流损耗优化

永磁起动发电机在弱磁条件下的涡流损耗问题比较突出，对发电机的优化主要是针对负载状态且处于弱磁环境下的涡流损耗，通过降低此时的涡流损耗，使得永磁起动发电机的工作效率和转矩性能得到显著增加。为此，特别对比了“一”型磁极结构和“V”型磁极结构优化中转速及弱磁角的具体情况，从中选择更适用的磁极结构设计形式。

3.1 发电机负载时转速对涡流损耗的优化

负载状态下，电机的绕组轴线和转子永磁体轴线形成重合，此时电机转子永磁体中不存在弱磁角，直轴电流分量因此不会形成，也不能对永磁体内励磁磁场产生干扰，永磁体内只有励磁磁场和交轴电流的作用。对比转速不同的“V”型和“一”型磁极结构控制模式下的涡流损耗，总的来说，这两种结构的涡流损耗都会因为转速增加而不断升高，相对来说，转子永磁体“V”型磁极结构设计的涡流损耗问题会更加显著，而“一”型磁极结构要稍好一些。

当电机处于额定转速状态下，此时“一”型磁极结构的转子永磁体涡流电流密度的极大值是0.75 A/mm2，而“V”型磁极结构的转子永磁体涡流电流密度的极大值是0.98 A/mm2，并且分布也不均匀，在永磁体边缘密度更大，磁密度变化率和感应电动势也都是最大的，涡流损耗更容易发生[9]。基于这一事实，在发动机磁极结构设计时，为更好地降低涡流损耗，采用“一”型磁极结构更加合理。

3.2 发电机负载时弱磁角对涡流损耗的优化

弱磁条件下，发电机永磁体涡流损耗分析需要预先了解轴电流对转子永磁体内磁场的实际影响，对于确定转速的情况，比如按照额定转速运行时，对电机定子绕组接入弱磁角分别为0°、30°和90°的电流，且保证这些电流的幅值相等，就可以获得轴电流独自激励以及与励磁磁场进行共同激励的影响状态。

1)各种弱磁角条件下的永磁体涡流损耗。

电机转子永磁体处于不同弱磁角的条件下，涡流损耗也会有所不同，在额定电流且最大转速条件下，永磁起动发电机电压已经处于逆变器的最大承受值，电机电流为电流极限圆值，此时可对弱磁角度进行调整来降低去磁电流，进而控制气隙磁密度，使气隙密度也可以随之下降。电机转速会增大，造成了磁路耦合度进一步增加，磁力线分布更趋复杂，转子永磁体产生更大的涡流，涡流损耗也会相应增加。当弱磁角度逐渐增加，去磁电流也会随之增加，这使得永磁体的去磁能力更强，定子区域磁密度会越来越小，转子磁密度更趋于饱和状态。

2)各种去磁电流下的转子永磁体涡流损耗。

对于转子永磁体来说，内部受外部激励而形成的磁场，其构成主要来自直轴电流的影响，在弱磁角不为0°的情况下，交轴电流分量会对电磁转矩形成主要贡献，但直轴电流分量却是弱磁控制的最重要影响因素。绝对去磁电流情况下，不存在交轴电流分量，而永磁体的弱磁角达到90°，对各种幅值去磁电流的影响进行分析，进而确定电机磁路变化，就可以分析去磁电流影响转子永磁体涡流损耗的具体情况。

实践证明，永磁体涡流损耗与磁电流幅值存在正相关关系，当磁电流增加，则永磁体涡流损耗也会随之增大[10]。对比“V”型磁极结构和“一”型磁极结构的情况，显然“一”型磁极结构的永磁体中所形成的涡流更小，形成的涡流损耗也相应较小。由此可以断定，采用“一”型磁极结构设计是更好的选择。

4、结束语

综上所述，永磁起动发电机的正常使用，需要解决弱磁条件下磁场与涡流损耗的问题。通过研究发现，不同磁极结构对涡流损耗会有很大影响。本文重点分析了两种常见的磁极结构设计模式：“V”型磁极结构和“一”型磁极结构。结果表明，相对而言，“一”型磁极结构的永磁体在涡流形成以及涡流损耗控制方面有更大优势。基于此，在实际的技术开发方面，可以考虑以更合理的“一”型磁极结构作为永磁体设计的主要选择。

参考文献:

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基金资助:内蒙古自治区重点研发和成果转化项目“低电压调整率车用交流永磁发电机研发”(2023SYFHH0064);