交流損耗
關(guān)注創(chuàng)建者：我是小能 創(chuàng)建時間：2022-09-26
交流損耗的視頻教程
手把手教你Maxwell 2D渦流場仿真-實(shí)心導(dǎo)體的集膚效應(yīng)歐姆損耗和交流電阻【搞仿真的晴博】
這個案例用一個簡單的實(shí)心導(dǎo)體演示了2D渦流場的仿真流程，然后進(jìn)一步分析了歐姆損耗和交流電阻的計算方法。
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交流損耗的實(shí)例教程
1．前言
永磁電機(jī)的主要功率損耗部件是鐵心，磁鋼和繞組。Hair-Pin電機(jī)在高速時有較大的繞組AC損耗，特別是發(fā)生在繞組端部的損耗。發(fā)生在端部繞組區(qū)域中的磁力線模式不同于鐵心中的繞組長度內(nèi)的磁力線模式。
這些損耗可以通過直流和交流損耗來定義，直流繞組損耗很容易通過繞組的電路分析來計算，并且是算術(shù)計算。AC損耗分量是由于導(dǎo)體相互靠近產(chǎn)生的磁場的各種影響而引起的。這通常是通過創(chuàng)建原型和對線圈部件進(jìn)行繁瑣的測量來估計的。這將使設(shè)計工作流程既昂貴又耗時。
然而，通過在JMAG中將線圈創(chuàng)建三維模型并進(jìn)行3D的有限元分析，可以相對快速和經(jīng)濟(jì)地分析AC損耗。
2．背景
（1）Bar-winding廣泛用于新能源汽車的電機(jī)設(shè)計中。
圖1 圓線繞組和扁線繞組對比
A. 優(yōu)點(diǎn)：
1)用銅量少。
2)提高散熱性。
3)端部整齊免綁扎。
4)提高生產(chǎn)率。
B .缺點(diǎn)：存在較大渦流損耗。
（2）交流損耗的電磁場
引起交流損耗的原因主要是：漏磁通、集膚效應(yīng)和臨近效應(yīng)。
（3）漏磁通
漏磁通將引起線圈中的AC 損耗，它在旋轉(zhuǎn)過程分布性將變化，并且如果電流是PWM，它將具有很高的諧波分量。
（4）集膚效應(yīng)
a）高速和PWM引起的高頻分量。
b）集膚效應(yīng)增加了損耗。
圖2 集膚效應(yīng)和頻率關(guān)系
上圖為交流電流應(yīng)用于單根導(dǎo)線，從圖2可以看出較高的頻率如高速會導(dǎo)致集膚效應(yīng)并增加損耗。
（5）鄰近效應(yīng)
槽內(nèi)的導(dǎo)體會產(chǎn)生鄰近效應(yīng)。從圖3可以看出，距離越近鄰近效應(yīng)越明顯，因此交流損耗也越大。
圖3 鄰近效應(yīng)和距離
交流電流施加到兩根導(dǎo)線上。來自每根導(dǎo)線的磁通鏈接到另一根導(dǎo)線中導(dǎo)致了渦流。槽內(nèi)的許多導(dǎo)體會增加AC損耗。
展開 逐點(diǎn)約束條件設(shè)置
超導(dǎo)帶材在通入直流電流時不會產(chǎn)生交流損耗，此次將分析超導(dǎo)帶材通入交流傳輸電流時的交流損耗變化規(guī)律。定義正弦交流傳輸電流，如下式:
其中，Im 為從 0.1－0.9Ic 以 0.1Ic 為間隔變化的交流傳輸電流的幅值，f 為交流傳輸電流的頻率，t 為一個周期內(nèi)的任意時間。
對超導(dǎo)帶材的橫截面進(jìn)行電流密度的面積積分，施加逐點(diǎn)約束條件:
其中，J 為超導(dǎo)帶材的電流密度，S 為超導(dǎo)帶材的橫截面積。
Vol.05 結(jié)論
首先推導(dǎo)了求解交流損耗 H 方程法的數(shù)值計算公式，然后利用 COMSOL Multiphysics 有限元仿真軟件 PDE 模塊建立單根超導(dǎo)帶材仿真模型，并介紹模型參數(shù)、網(wǎng)格剖分和物理場設(shè)置等流程和細(xì)節(jié)，系統(tǒng)分析不同幅值交流傳輸 流下的磁場分布和交流損耗。仿真結(jié)果顯示，磁場強(qiáng)度較大的位置在超導(dǎo)帶材的兩端，并向中間區(qū)域逐漸減小。隨著通入交流傳輸電流的幅值增加，超導(dǎo)帶材內(nèi)部及周圍空氣的磁場強(qiáng)度、磁場穿透深度和交流損耗也有了明顯的增加。
本文來自：COMSOL仿真交流
—END—
展開 漆包線材料：隨著高壓、油冷技術(shù)的發(fā)展，漆包線材料將向高壓、耐電暈、耐油水、低交流損耗方向發(fā)展。未來，利茲線、換位導(dǎo)線等特殊導(dǎo)體結(jié)構(gòu)將成為解決高速電機(jī)交流損耗的有效方案。
新能源汽車驅(qū)動電機(jī)的發(fā)展面臨著多方面的技術(shù)挑戰(zhàn)，但同時也帶來了巨大的創(chuàng)新機(jī)遇。通過材料升級、工藝改進(jìn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化，行業(yè)有望在高轉(zhuǎn)速、高效率、低材料成本、長壽命和短軸向尺寸等方面取得突破，推動新能源汽車技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步。
矩形線圈產(chǎn)生交流損耗。
磁鐵渦流損耗。
其他影響，例如雜散損耗，制造和沖壓應(yīng)力等的影響。
為了考慮上述現(xiàn)象，有必要對有限元模型進(jìn)行改進(jìn)，JMAG效率圖分析有兩種，一種叫速度優(yōu)先模型，通常用于概念設(shè)計階段，一種叫精度優(yōu)先模型，通常用于詳細(xì)的性能評估階段，兩者模型和電路如圖10所示。此外，為了考慮諧波鐵耗，需要對電路的控制和逆變器進(jìn)行建模如圖11所示，渦流分析是為了考慮繞組的交流損耗和磁鐵的渦流損耗，也需要搭建PWM控制電路，并且將電路中的FEM Coil改成FEM Conductor，同時按照圖12將FEM Coil條件改成FEM Conductor條件，并且將線圈零件設(shè)置為允許渦流，如圖13所示，同時加大時間步的分辨率，使其能夠捕捉到諧波分量，這樣將使得每個工況點(diǎn)的步數(shù)很大，圖14為參數(shù)化列表，包含了轉(zhuǎn)速、步數(shù)之間相關(guān)的參數(shù)化設(shè)置。
圖10 效率圖的FEA模型
圖11 精度優(yōu)先控制電路模型
圖12 FEM Coil切換為FEM Conductor條件
圖13 線圈零件設(shè)置為允許渦流
圖14 參數(shù)化列表
為了確定諧波電流波形，需要進(jìn)行控制建模。本文以下面的分析流程進(jìn)行詳細(xì)的性能效率圖評估（圖15）。
圖15 詳細(xì)性能評估時的效率圖創(chuàng)建流程
以概念設(shè)計得到的效率圖中所有工況點(diǎn)的電流矢量作為詳細(xì)性能評估的電流指令/基準(zhǔn)值。如圖16為根據(jù)速度優(yōu)先（概念設(shè)計）得到的電流矢量數(shù)據(jù)，作為精度優(yōu)先效率圖的輸入?yún)?shù)。
圖16 詳細(xì)性能效率圖評估的輸入電流矢量
在詳細(xì)的性能評估模型中，使用上述命令/基準(zhǔn)值構(gòu)建電流控制模型。
展開 所以總的損耗包括線圈損耗（也叫銅損）和磁芯損耗（也叫鐵損）兩個部分。其中線圈損耗還包括直流損耗（也就是直流電阻的損耗）和交流損耗（交流電流下的趨膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)產(chǎn)生的損耗），這個交流損耗也叫做渦流損耗，在渦流場和瞬態(tài)場中可以通過設(shè)置EDDY EFFECTS來計算。而鐵損只能在瞬態(tài)場中計算。鐵損的計算，主要是由磁芯材料供應(yīng)商提供的各種頻率和工作磁感應(yīng)強(qiáng)度下的測試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用STEINMETZ方程式，采用插值法得到的。這個鐵損已經(jīng)包含了磁芯的所有損耗，即：磁滯損耗，渦流損耗和剩余損耗。鐵損的計算分兩種，一種主要是軟磁鐵氧體（POWER FERRITE),另外一種主要是矽鋼片（ELECTRICAL STEEL)，兩種計算公式不同。
二、
SOLIDLOSS（實(shí)體導(dǎo)體損耗)是指任何導(dǎo)體材料的損耗，既可以包含源電流，又可以有渦流電流。
SOLID CONDUCTOR(實(shí)體導(dǎo)體）又包含兩種，一種是主動導(dǎo)體，即有外加電流的導(dǎo)體，另外一種
是被動導(dǎo)體，即沒有外加電流。被動導(dǎo)體又有兩種情況，短路和開路。定子和轉(zhuǎn)子其實(shí)就是被動導(dǎo)體
，當(dāng)然有渦流存在，也就是一種SOLIDLOSS。其實(shí)應(yīng)該還有一種導(dǎo)體損耗，DISPLACEMENT
(位移電流），但是通常都很小，一般用于交變電場分析，磁場中很少用。
三、關(guān)于powerloss和coreloss
四、關(guān)于永磁體的鐵耗計算
1 .什么狀況下應(yīng)該給永磁體設(shè)置電導(dǎo)值？
象釹鐵硼等導(dǎo)電的永磁材料, 并要考慮永磁體中渦流的影時,要設(shè)置電導(dǎo)率.
2 .什么狀況下給永磁體加上【set Eddy effects】？
展開 
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交流損耗的最新內(nèi)容
2）鐵損和交流損耗：高轉(zhuǎn)速導(dǎo)致電流頻率增加，鐵損和交流損耗顯著上升，影響電機(jī)效率。 行業(yè)期待：
1）高強(qiáng)度硅鋼材料：開發(fā)更高強(qiáng)度的硅鋼材料和新型轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，以應(yīng)對離心應(yīng)力。 2）低損耗材料：研制更低鐵損的軟磁材料和更低交流損耗的扁線電機(jī)結(jié)構(gòu)。
02高效率需求趨勢
現(xiàn)狀及趨勢：電機(jī)效率已成為整車技術(shù)競爭的關(guān)鍵指標(biāo)。特斯拉Model Y的百公里電耗達(dá)到12.7kWh/100km。
其電機(jī)采用hairpin繞組技術(shù)，提升性能和效率，但高速時需注意交流損耗問題。
永磁同步+感應(yīng)異步雙電機(jī)
特斯拉Model 3性能版&Model Y：前軸采用交流異步電機(jī)，后軸采用永磁同步電機(jī)。這種搭配利用感應(yīng)電機(jī)在高速、永磁電機(jī)在低速的高效區(qū)，實(shí)現(xiàn)效率互補(bǔ)。Model Y的扁線電機(jī)進(jìn)一步優(yōu)化了體積和功率密度。
? 內(nèi)嵌2D瞬態(tài)有限元
? 全自動設(shè)置剖分和邊界條件
? 高級計算功能：磁鋼渦流損耗；導(dǎo)條渦流損耗；繞組交流損耗
? Dxf模型導(dǎo)入
? 腳本編輯幾何模型
? 用戶自定義電流波形
? 用戶自定義斜極斜槽
Motor-CAD Lab
? 效率Map圖和損耗Map圖
? 峰值轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線計算
? 連續(xù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線計算
? 運(yùn)行周期性能分析
?
本文從相位電阻（phase resistance）、交流損耗系數(shù)（AC loss factor）和熱特性（thermal behavior）來分析三個繞組方案的主要優(yōu)點(diǎn)。
現(xiàn)代電動汽車中最常見的電機(jī)拓?fù)洌╩otor topologies）結(jié)構(gòu)，包括感應(yīng)電機(jī)（IM）、永磁同步電機(jī)（PMSM）、外勵磁機(jī)（EEM）。
有限元仿真軟件可以方便快速地得出不同運(yùn)行環(huán)境、不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下高溫超導(dǎo)帶材的交流損耗規(guī)律，為確定超導(dǎo)電力設(shè)備的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)、交流損耗實(shí)驗(yàn)測試提供了理論基礎(chǔ)，避免人力、財力、物力各方面的浪費(fèi)。
立即預(yù)約報名
5月13日 | Ansys Maxwell高效電機(jī)電磁仿真設(shè)計進(jìn)階培訓(xùn)
簡介：
永磁電機(jī)電磁仿真分析與結(jié)果提取
電機(jī)斜極斜槽
繞組交流損耗計算
交流電容損耗也是如此，對于兩根尺寸相同的電纜來說，它與介電常數(shù)和介質(zhì)損耗因子值的乘積成正比。
所以，為了把衰減降到最小，應(yīng)當(dāng)遵守前述的把電容減到最小的建議。同樣要確定絕緣具有低的損耗因以及使用實(shí)用的最高導(dǎo)電率的導(dǎo)體。然而必須小心因?yàn)榧词乖谥睆讲蛔兊耐S電纜中，較粗的導(dǎo)體使電阻損耗降低，但它一般卻會使交流損耗增加。產(chǎn)生這種損耗增加的原因是由于導(dǎo)體之間電容耦合更緊密而引起的。
例如，耦合電容讓交流信號無損耗的通過，而同時隔斷直流通路，這一分析的理論根據(jù)是電容隔直通交特性。
2.元器件在電路中具體作用
電路中的每個元器件都有它的特定作用，通常一個元器件起一種特定的作用，當(dāng)然也有一個元器件在電路中起兩個作用的。在電路分析中要求搞懂每一個元器件在電路中的具體作用。
2.單相380V交流電焊機(jī)空載損耗的速算
單相三百八電機(jī)，空載損耗多少瓦？
容量直接乘二十，空載電流一百倍。
3.無銘牌小型單相變壓器的容量估算
小型單相變壓器，額定容量伏安值：
鐵心截面平方數(shù)，乘八乘八除以百。
4.三相異步電動機(jī)，同步轉(zhuǎn)速的估算
電動機(jī)同步轉(zhuǎn)速，三千除以極對數(shù)。
2.5 效率測試
電源模塊會產(chǎn)生各種損耗，比如MOSFET開關(guān)損耗，導(dǎo)通損耗，電感直流損耗，交流損耗等等。從而造成輸出效率的變化。因此客戶會要求最低的效率比。LM60440在不同輸入電壓情況下，重載的時候基本都可以達(dá)到90%以上的效率。
在實(shí)測的時候，效率會比Datasheet的要低一些。
