摘要：永磁体涡流损耗是永磁同步电机转子温升的主要原因，过高的温升会导致永磁体发生热退磁，严重影响电机性能。本文提出一种改进型堵转实验方法，对定子绕组施加等效电流谐波，使转子静止时的磁场等效为转子旋转时的磁场，并通过无永磁体实验和转子堵转实验分离出转子堵转时的永磁体涡流损耗。通过有限元分析验证了该实验方法的有效性。

0 引言

高速永磁电机因其高功率密度、高效率以及易于控制等特点，在空气压缩机、飞轮储能系统和电动汽车等领域得到了广泛应用[1]。但是，由于定子开槽、绕组的非正弦分布以及PWM变频器供电等因素在电机内产生的高频谐波，永磁体内会产生较大的涡流损耗，有限的散热条件使得永磁体涡流损耗会在转子上产生较大的温升，严重影响电机性能。因此，永磁体涡流损耗的精确测量对高速永磁电机分析与设计十分关键。

与定子铁损和绕组铜损相比，永磁体涡流损耗占比较小，不能直接测量，很难从总损耗中分离出来。本文通过理论分析，提出一种六相绕组结构的永磁体涡流损耗实验方法，通过调整电枢的电流的频率以及相位对电机磁场进行调制，使转子静止时的磁场等效为转子旋转时的磁场，考虑空间谐波磁场产生的永磁体涡流损耗，通过有限元分析验证了该方法的有效性。

1.理论分析

永磁体涡流损耗在产生因素上分为：（1）定子绕组非正弦分布，基波电流导致的空间谐波磁场产生的永磁体涡流损耗。（2）定子电流时间谐波产生的永磁体涡流损耗。分析中只考虑基波电流的1、5、7次空间谐波和谐波电流的空间基波磁密产生的涡流损耗。对六相2Y互移30°绕组结构的来说，两个三相绕组分别施加不同幅值及相位的电流。

A1、B1、C1相产生的1、5、7次磁动势如式（1）所示。

A2、B2、C2相产生的1、5、7次磁动势如式（2）所示。

将磁动势相加，磁动势幅值如式（3）所示。

式中：为绕组串联匝数；为线圈组的串联匝数；q为每极每相槽数；为次谐波绕组系数；p为极对数；a为并联支路数；I为电枢电流有效值；为槽距角。

以2对极48槽电机为例，由六相绕组与三相绕组结构的关系可知，六相绕组结构要产生和三相绕组结构相同的谐波磁动势，电枢电流需要满足式（4）。

2.实验设计

高速永磁电机在实际运行时，主要的电流谐波频率为，会在永磁体中产生次的涡流谐波。例如，5次和7次电流谐波分别会产生相对转子反转和正转的6次谐波磁场，在转子堵转实验中，在定子绕组中通入6次谐波电流即可等效转子旋转时通入的5次和7次谐波电流，其他频率下的谐波电流也是如此。

由于转子处于静止状态，不存在机械损耗和风摩损耗，实验中测得的损耗只包括定子铁耗、绕组铜耗、永磁体涡流损耗和转轴涡流损耗，可通过转子堵转实验和无永磁体实验对涡流损耗进行分离。在转子堵转实验中，电枢绕组中通入等效电流使得电机磁场等效为旋转情况下得磁场，所测得的总损耗如式（5）。

式中：为绕组铜耗；为转子堵转实验中的定子铁耗；为永磁体涡流损耗；为转轴涡流损耗。

在保持电枢电路恒定的情况下，除永磁体涡流损耗的其他损耗可在没有永磁体的情况下单独测量，所测得的总损耗如式（6）。

式中： 为无永磁体实验中得定子铁耗；

由式（5）和式（6）可得，转子堵转状态下的永磁体涡流损耗如式（7）所示。

3.仿真验证

本文以一台4极48槽的三相永磁电机为例验证实验方法的有效性。表3为电机的基本参数，图1为电机轴向剖面图示意图。

通过有限元仿真，得到了各频率下的定子铁耗和永磁体涡流损耗，如图2和图3所示。

由图2可知，由于永磁体的磁导率与空气十分接近，有无永磁体对定子损耗的影响较小，定子铁耗在两种工况下具有较好的一致性。由图3可知，各频率下，六相绕组结构堵转时的永磁体涡流损耗与三相绕组结构的涡流损耗吻合较好，验证了实验方法的有效性。通过比较定子铁耗和绕组铜耗可知，转子堵转情况下，永磁体涡流损耗要远大于定子铁耗，永磁体涡流占总损耗的大部分，可以降低损耗分离带来的计算误差。

参考文献

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