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发卡式电机考虑谐波的绕组交流损耗分析(下)
刘笑天
3年前
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4
普锐斯
2017
年电机案例分析
4.1
丰田普锐斯
2017
电机模型和参数
图26 丰田Prius2017电机模型
4.2 4
个重要工况点
图27 丰田Prius 2017电机模型
图27左边是从一些公开资料看到的Prius 2017电机效率map的简图,图27右边工况的选取是根据效率map,最大电压,母线电流自己选取的,我们自己也查了很多资料,没有发现公开的工况数据。假定丰田普锐斯的4个重要工况点数据如上表所示,主要包括爬坡点、峰值功率点、高效点和高速点,效率MAP设置时包含了这4个重要的工况。
4.3
正弦波电流供电的
2D
模型交直流铜损计算
1、直流铜损Pdc为根据I²R计算或者将软件使用FEM Coil条件计算得到的铜损耗。
2、
交流铜损耗
Pac
为考虑扁线涡流损耗时的总铜损耗。用有限元捕获的比较准确。
3、使用Pac/Pdc分析扁线电机涡流损耗的严重程度。
4、从上面可以看出低速时,如1000rpm和3015rpm,几乎都是直流铜损,随着转速升高,Pac/Pdc系数增加,扁线电机的涡流损耗加剧。甚至在17000rpm时交流铜损达到直流铜损的3.34倍。
1、上
表两个工况转矩一样,即给定的电流幅值和相位一样,因此直流铜损是一样的。
2、一样负载情况下,转速升高,涡流损耗增加,交流总铜损
17000rpm
是
1000rpm
的
3.31
倍左右。
上表两个工况转速一样,转矩不同,因此直流铜损不同,但是
Pac/Pdc
是一样。因此认为两者集肤效应和邻近效应效果是一样。
4.4 PWM
谐波电流供电的
2D
模型交直流铜损计算
1、本分析是在电流中加入了
10Khz
谐波的
PWM
电流波形。但实际电机中谐波分量会很丰富。
2、
与正弦电流的情况一样,含
PWM
谐波的分析也是随着转速升高,涡流损耗的占比逐渐增大。当转速达到高速点时,总铜损耗可达到直流铜损的
3.76
倍,前面正弦波的是
3.34
倍,因此需要关注高速带来的涡流损耗增加。
因此无论是正弦波电流还是PWM谐波电流,高速下AC涡流损耗都是比较大的。同样还能看出来,算AC损耗时要考虑PWM谐波,尤其是真实的PWM谐波通入电机中,谐波损耗还会更大。
通过对比正弦波电流和
PWM
谐波电流的直流铜损,可知
PWM
谐波下直流铜损有所增加,原因是谐波同样产生了直流铜损。
PWM
谐波电流比正弦波电流的总铜损增加,包含了直流铜损增加和涡流损耗的增加。因此
PWM
谐波会加剧扁线中的涡流效应。
图28 丰田Prius 2017电机模型
从图28很明显能够看出随着转速升高,无论通入的是正弦波还是具有PWM谐波的电流,涡流损耗的占比在不断提高,PWM谐波电流对涡流损耗的影响更大,特别是高速状况下。
4.5 PWM
谐波电流供电的
3D
模型交直流铜损计算
丰田
Prius 2017
电机
3D
磁力线和电流密度云图
丰田
Prius 2017
电机全模型电流密度云图
做这个三维分析的目的是什么呢,因为很多用户都跟我们探讨过做AC涡流损耗时需要画出这个端部吗,差异有多大。端部的磁力线跟平时我们径向的磁力线不一样,大家可以看到他是有一个轴向的走向,会匝链到导体上,而这个走向是对绕组AC损耗有影响的。
3D的交流损耗占比比2D的交流损耗占比高了0.85,3D增加的交流铜损占输入功率的0.6%,因此不能忽略端部的涡流效应。
同样的我们可以看到Pac/Pdc,2D和3D的四个工况点,随着转速的升高,比值是增大的
这个是3D跟2D比增加的铜损占输入功率的比例,想研究增加的铜损占效率的多少。
得到这个结论后,我们想研究一下这个是什么原因引起的。可以从下图看到爬坡点轴向的漏磁通比较大,涡流的分布也比较大,所以相比2D增加的铜损比较多,而输入功率在爬坡点又不是很大,所以这个端部的铜损占输入功率的比例就比较大。因为爬坡点的转矩比较大,所以比较饱和,所以也会加剧轴向漏磁通,所以这也是爬坡点端部铜损占比比较大的原因。
5
减小扁线电机涡流损耗的方法探讨
5.1
扁线长宽比和交流损耗的关系
图29 矩形线长宽比变化图
图29分析在长宽比变化过程中,确保矩形线和槽四周的边的距离不变。
本分析确保矩形线面积不变。
Jmag很容易就可以进行这种参数化分析
图30 总的铜损和矩形线长宽比系数关系曲线
图
30
分析为了确保在长宽比系数变化时,定子齿部和轭部尺寸也在变换,它们将影响饱和度,因此本分析将定子材料设置
linear_10000
,即磁导率为
10000
,保证导磁,减小磁饱和对长宽比分析的干扰。
从图
30
可以看出,随着长宽比增加,总的铜损减小,即涡流损耗减小。
图
30
标定了
Prius2017
方案的长宽比,可见它选择的长宽比已经使涡流损耗比较低了。
图31 总的铜损和矩形线长宽比系数关系曲线
图
31
分析为采用正常
BH
曲线的电磁钢板,它的趋势和采用
linear_10000
是一样的。
5.2
常用槽口形状的宽高和交流损耗的关系
图32 常用槽口宽高变化图
图
32
当槽口高度和宽度变化时,导线位置和大小均保持不变。
图
32
不是
prius2017
电机槽口,是我们经常使用的槽口
图33 总的铜损和槽口宽度的关系(不同曲线对应不同槽口高度)
图33分析为排除当槽口尺寸变化时磁通饱和度的影响,将定子铁心设置为linear_10000,这样便于分析槽口尺寸对涡流损耗的影响。
每一条线代表一个槽口高度,横坐标代表槽口宽度
槽口宽度增加,AC损耗是先减后增的,而且还与槽口高度有关系
图34 总的铜损和槽口宽度的关系(H=0.2mm)
图34定子铁心磁导率设置为linear_10000。
图35 槽口宽度不同的漏磁和电流密度云图(H=0.2mm)
图
35
低槽口高度
0.2mm
时,主要以渗透漏磁影响为主,也就是槽的漏磁是比较少的,因此槽口变宽,会增大渗透漏磁,从而加大了涡流效应。
图36 总的铜损和槽口高度的关系(W=0.1mm)
图36定子铁心设置为linear_10000。
当槽口宽度比较窄时,总铜损随着槽口高度增加而变大。
图37 窄槽口时,低槽高和高槽高的磁力线走向和焦耳损耗密度云图
从图
37
可以看出,当槽口比较窄以槽漏磁影响为主,因此槽口变高,漏磁加大,导致集肤效应增加,涡流损耗增大。
图38 总的铜损和槽口高度的关系(W=1.7mm)
定子铁心设置为linear_10000。
当槽口宽度比较宽时,焦耳损耗随着槽口高度增加而减小。
图39 宽槽口时,小槽高和大槽高的磁力线走向和焦耳损耗密度云图
如图
39
所示,槽口比较宽时,以渗透磁通影响为主,来至气隙磁通容易穿入槽内导体,当槽比较高的时候,部分欲进入槽内的磁力线容易被旁路到齿部,因此总铜损较小。
图40 总的铜损和槽口宽度的关系(不同曲线对应不同槽口高度)
本分析定子为
BH
曲线的普通电磁钢板。
它的趋势和高磁导钢板时一致的。
5.3 Prius2017
电机的槽口宽高和交流损耗的关系
图41 槽口辅助高度和槽宽变化图
图41分析为当槽口辅助高度改变时,导体位置整体移动即确保导体距离槽内4个边的距离不变。
图42 设计尺寸说明
图42为槽口宽和槽口辅助高度的示意图。以下内容主要以此作为设计变量,来探讨它们对涡流效应的影响。
图43 总的铜损和槽口宽度的关系(不同曲线对应不同槽口辅助高度)
图43定子铁芯采用liear_10000材料。
从图43可以看出,当槽口辅助高度为0.1时,总焦耳损耗和槽口宽度不成单调关系。
当槽口辅助高度等于或高于0.5时,槽口宽度越大,总焦耳损耗减小。
图44 总焦耳损耗随槽口辅助高度变化曲线(槽口宽=1.3)
从图
44
可以看出,当槽口宽为
1.3mm
,即与普锐斯电机槽口宽尺寸接近时,随着槽口辅助高度增加,焦耳损耗减小。
从图
44
中标定出普锐斯电机槽口辅助高度的位置,发现它的设计位置已经使焦耳损耗处于较低位置了。
图45 槽口辅助高度不同时磁力线和电流密度云图(槽口宽=1.3)
从图
45
可以看出,当槽口宽为
1.3mm
,即与普锐斯电机槽口宽尺寸接近时,主要以渗透磁通影响涡流效应,槽口增加,欲穿入槽内的磁力线将会被旁路到齿部,因此渗透漏磁小,焦耳损耗小。
6
小结
1)较高的频率如高速会导致集肤效应加强并增加损耗。
2)随着导体增加,Pac/Pdc系数变大,可见导体越大,集肤现象加强。
3)随着频率增加,邻近效应增强,焦耳损耗增加。
4)两根导体半径变大,则临近效应加强。
5)本文对比了正弦波和PWM谐波电流对扁线涡流损耗的影响,得出无论通入的是正弦波还是具有PWM谐波的电流,随着转速的升高,涡流损耗的占比在不断提高,PWM谐波电流对涡流损耗的影响更大,Pac/Pdc将达到3.76倍,因此需要注意扁线电机在高速时的涡流损耗问题。
6)本文分析了矩形导体长宽比和总焦耳损耗的关系,分析得到随着长宽比增加,总的铜损减小,即涡流损耗减小。同时得到了Prius2017方案的长宽比已经使涡流损耗比较低了。
7)本文分析常用槽口形状的宽高和交流损耗的关系,具体结论不再赘述。
8)本文分析了Prius2017方案槽口辅助高度和总焦耳损耗关系,得出随着槽口辅助高度增加,总焦耳损耗减小,同时分析出Prius2017方案选择的槽口辅助高度已经时总焦耳损耗较低了。
9)后续我们将分析扁线方案、圆线方案涡流效应对比,分别探讨它们涡流效应随转速的关系曲线。
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刘笑天
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