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內(nèi)置式永磁同步電機因其優(yōu)異的電磁性能而被廣泛應(yīng)用在對轉(zhuǎn)矩密度、能效、弱磁擴速能力有很高要求的新能源電動汽車、機床電主軸等領(lǐng)域。由于轉(zhuǎn)矩密度高，導(dǎo)致內(nèi)置式永磁電機損耗密度大，尤其是變頻器供電電流時間諧波導(dǎo)致轉(zhuǎn)子損耗急劇增大，加之轉(zhuǎn)子散熱條件差，嚴(yán)重威脅電機運行的安全性與可靠性。因此，準(zhǔn)確計算與測試內(nèi)置式永磁電機各部分損耗與溫升，尤其是永磁體損耗與溫升具有重要意義。

為了準(zhǔn)確預(yù)測變頻器驅(qū)動下永磁電機各部分損耗的大小與分布，許多論文對其進行了深入的研究，并取得一定的成果。

文獻[7]中提出了一種可以考慮任何極槽配合和不同負(fù)載情況下由開槽所引起的電機永磁體渦流損耗計算方法，同時與有限元求解的結(jié)果進行比較驗證了解析計算的準(zhǔn)確性。文獻[8,9]分析了寬轉(zhuǎn)速恒功率的內(nèi)置式永磁同步電機各部分磁通密度的變化，采用有限元軟件計算出電機定轉(zhuǎn)子鐵心中的磁滯損耗與渦流損耗，同時表明作用在定子鐵心中諧波磁場產(chǎn)生的渦流損耗主要作用在鐵心的齒部，并提出通過增大內(nèi)功率因數(shù)角來削弱磁場有利于減小鐵心損耗。

日本千葉工業(yè)大學(xué)學(xué)者Katsumi Yamazaki在文獻[10]中認(rèn)為變頻器供電時電機的損耗主要是由磁導(dǎo)諧波和電流時間諧波產(chǎn)生且電流時間諧波占主要因素，隨著變頻器載波頻率的增加，電流時間諧波產(chǎn)生的損耗將會減小。文獻[11]分別研究了內(nèi)置式和表貼式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)、分布式和分?jǐn)?shù)槽集中式定子繞組永磁電機中各部分損耗分布，并指出采用分?jǐn)?shù)槽集中繞組的電機永磁體渦流損耗要比分布式顯著增大。

文獻[12]中提出了一種二維有限元和解析法的混合模型用于求解變頻器供電電機損耗大小和分布，計算結(jié)果表明采用二維有限元和解析混合模型在保證求解精度的同時能節(jié)省求解時間。文獻[13,14]針對表面式永磁電機分別研究了變頻器供電不同開關(guān)頻率和調(diào)制比時電流時間諧波所引起的電機各部位損耗大小，以及正弦波供電、直接轉(zhuǎn)矩控制和矢量控制等不同供電方式時電機各部分損耗的大小與分布規(guī)律。

目前已有文獻在表面式與內(nèi)置式永磁同步電機鐵心與永磁體損耗計算和規(guī)律研究方面取得了大量研究成果，但針對內(nèi)置式永磁同步電機永磁體損耗試驗方法和細(xì)致的損耗分布規(guī)律方面研究成果較少。

本文以兩臺定子完全相同、轉(zhuǎn)子磁極結(jié)構(gòu)不同（分別為“V-”型和“V”型）的10kW內(nèi)置式永磁體同步電機為例，運用有限元軟件分析了兩種磁極結(jié)構(gòu)電機在滿載正弦波和變頻器供電、開關(guān)頻率與調(diào)制比變化、不同電流相位等情況下的損耗大小和分布規(guī)律，并且仿真得到永磁體與繞組溫升分布。

在此基礎(chǔ)上，提出利用內(nèi)置式永磁電機隔磁間隙埋置無線測溫元件的實驗方法測試得到變頻器供電滿載運行時“V”型電機的永磁體溫升和損耗實驗值，并將永磁體損耗與溫升的測試結(jié)果與有限元計算結(jié)果進行對比，驗證仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖15 樣機測試平臺

結(jié)論

本文以兩臺定子完全相同、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同的內(nèi)置式永磁同步電機為例，運用時步有限元法分析了正弦波和變頻器供電、不同內(nèi)功率因數(shù)角、不同變頻器參數(shù)對電機定、轉(zhuǎn)子鐵心和永磁體損耗的影響，并基于實驗方法測試并分離出內(nèi)置式永磁電機永磁體渦流損耗、機械損耗和鐵心損耗測試結(jié)果，驗證了仿真的準(zhǔn)確性。得到如下結(jié)論：

1）內(nèi)置式永磁同步電機在變頻器供電時，轉(zhuǎn)子鐵心損耗和永磁體渦流損耗要比正弦波供電時高出60%以上，永磁體溫升高出70%以上，變頻器供電滿載運行時永磁體穩(wěn)態(tài)溫升可達(dá)140K。由此可見變頻器供電的電流時間諧波對內(nèi)置式永磁電機轉(zhuǎn)子損耗影響很大，有必要在設(shè)計時采取措施抑制永磁體損耗與溫升。

2）變頻器供電滿載運行時，“V-”型內(nèi)置式永磁電機轉(zhuǎn)子鐵心與永磁體損耗之和要比“V”型電機的略小（減小約2%）。