近年來，隨著國家節能減排政策的風起，工業領域對電機系統的能效要求不斷提高，高效電機已然成為了研究機構以及國內外電機企業的關注熱點。對于電機而言，能效的提升就意味著電機損耗的降低，因此，在電機設計及優化過程中，需要對其損耗有著比較系統和準確的計算分析，進而提出最優的解決方案，降低損耗，提高電機效率。目前，永磁電機的效率較高，為工業領域較為常用的高效電機，本文以永磁電機為研究對象展開相應的探討。

 

損耗分類

    電機是一種把電能轉化為機械能的裝置，在電機運行過程中不可避免地要產生損耗，其中絕大部分損耗會變成熱量，使電機各個部件溫度升高，嚴重時可能會導致電機不能正常運轉。此外，電機損耗的多少直接關系到其機電系統的效率問題。永磁電機中的損耗主要可分為鐵損、銅損和機械損耗，如圖 1 所示。鐵損由磁滯損耗、渦流損耗和雜散損耗構成，其主要的影響因素為鐵磁材料性能 、工作頻率和氣隙磁密。由于永 磁電機中存在永磁體，其銅損則可分為繞組銅損和永磁體損耗（渦流損耗）兩大類，其值受到定子電流、繞組結構與材料以及諧波磁場等影響。機械損耗包括軸承摩擦損耗、電刷摩擦損耗和風磨損耗，在電機設計階段，此類損耗一般為工程師根據電機實際工況和結構特點來估算得到的經驗數據。

圖 1  電機損耗分類

損耗削弱方法

1、鐵損削弱方法

①選擇合適的齒槽，齒槽主要考慮槽型、槽深、槽口尺寸、極槽配合等；

②選擇合適的磁極，主要考慮氣隙長度、永磁體厚度、永磁體邊緣斜角、充磁方式、釹鐵硼材料等方面；

③增加鐵心長度，增大定子軛高，減小磁密；

④選擇較高規格的硅鋼片材料；

⑤選擇合適的控制方式；

⑥采用無鐵心結構，一般用于盤式永磁電機。

2、銅損削弱方法

①選擇合適的繞組結構形式，例如增大線徑，減小匝數；選擇合適的繞線方式；改變端部結構；

②選擇合適的極槽結構，如斜槽、偏心結構，減小諧波磁場產生的附加銅損；

③優化驅動控制方式，減小諧波電流及換相電流產生的附加銅損。

3、永磁體損耗削弱方法

①選擇合適的齒槽結構和極槽配合形式；

②改變永磁磁極結構。

E asimotor 案例分析

    E asimotor 軟件在損耗研究方面的優勢：相較于傳統的損耗計算方法，軟件在考慮磁場諧波含量的基礎上，采用節點磁密計算電機參數，精度較高；并且軟件中集成了控制算法和參數化優化模塊，可以快速有效計算不同控制算法和參數時的損耗值，能夠幫助工程師快速優化電機參數，為電機設計者提供最佳設計方案。

    下面，以一臺4極24槽的表貼式永磁電機為例，如圖 2 所示；借助于電機設計分析軟件 E asimotor ，采用磁路法和有限元方法對其各類損耗開展準確的計算，結合上述常用的損耗削弱方法，給出三種優化方案并進行性能評估，提高電機的效能。

優化方案 1：

    改變永磁體形狀，采用偏心結構，減小氣隙磁場的諧波分量。其優化效果詳見圖 3 和圖 4，相較于原方案，鐵損，繞組銅損以及永磁體損耗都有一定的減小。

優化方案 2：

    改變電機繞組結構，增大線徑，減小匝數，進而減小繞組電阻，減小銅損。其優化效果詳見圖 5 和圖 6。通過對原方案的損耗分析，此電機的銅損占大部分，故本方案主要以降低銅損為目的。

圖 5  線徑、匝數對損耗和效率的影響

圖 6  損耗的時變曲線圖（原方案為藍色曲線，優化方案 2 為紅色曲線）

優化方案 3：

    在優化方案 2 的基礎上，改變永磁體形狀，采用偏心結構，選擇合適偏心距，得到最優方案。圖 7 所示為四種方案的性能對比情況，通過采用不同的損耗削弱方法，能夠不同程度地降低電機損耗，從而提高電機的效率，完成高效電機的設計。

圖 7  四種方案性能對比

   在實際的電機設計過程中，工程師需要根據電機的各類損耗分布比例，選擇最優的削弱方法，得到最優的高效電機方案。

來源：杭州易泰達科技