許多關(guān)于無刷直流電機(jī)的工業(yè)應(yīng)用都涉及到電動(dòng)機(jī)的熱極限。關(guān)于電動(dòng)機(jī)構(gòu)造的兩種情況極可能導(dǎo)致鐵耗，并且是電動(dòng)機(jī)熱效應(yīng)的必備知識(shí)。關(guān)于電動(dòng)機(jī)的同步頻率：第一種情形相當(dāng)于一個(gè)相對(duì)低速，但極對(duì)數(shù)較高（用于直接驅(qū)動(dòng)的力矩電機(jī)）；第二種情形相當(dāng)于極對(duì)數(shù)低，但轉(zhuǎn)速很高（例如大量貯藏應(yīng)用）。
由于考慮到頻率超過磁性材料供應(yīng)商正常范圍內(nèi)的特征，鐵耗將是一個(gè)關(guān)鍵因素。因?yàn)榧?lì)磁通和槽的幾何形狀引起的高次諧波頻率和轉(zhuǎn)子損耗也是本研究中的關(guān)鍵因素。
本篇研究的是一個(gè)有很多槽數(shù)和極數(shù)的力矩電機(jī)。作者對(duì)鐵耗和熱效應(yīng)的模型采用了兩種不同的表達(dá)方式。第一種方式采用了兩組集中式方案。第一幅圖表示允許我們?nèi)y(cè)定磁通分布和定子、磁鋼及轉(zhuǎn)子軛部的鐵耗。溫度變化分布可以通過整個(gè)轉(zhuǎn)子的熱量表計(jì)算得來。第二種方式是采用有限元法分析兩維模式的磁效應(yīng)和三維模式的熱效應(yīng)分?jǐn)亍?/DIV>
一個(gè)為無刷直流力矩電機(jī)而研制的試驗(yàn)平臺(tái)，可以測(cè)量空載運(yùn)行條件下的鐵耗，使用探針和紅外照相機(jī)去測(cè)量溫度。這樣，模擬和測(cè)量結(jié)果就會(huì)比較出兩種方式的準(zhǔn)確特性。目前工作的兩大主要因素主要由以下組成：(1)走子、轉(zhuǎn)子軛部和磁鋼的整個(gè)鐵耗計(jì)算；(2)采用熱量圖表和三維有限元法模擬獲得的熱效應(yīng)的比較。
關(guān)鍵詞：無刷直流電動(dòng)機(jī)；集中式熱效應(yīng)方案；定、轉(zhuǎn)子鐵耗；力矩電動(dòng)機(jī)；二維、三維有限無法。
1引言
工業(yè)應(yīng)用無刷直流電動(dòng)機(jī)，意味著高同步頻率。由于成本控制是非常必要的，設(shè)計(jì)師通常只好使用傳統(tǒng)市場(chǎng)上常用的硅鋼薄片。比較典型的是基于Fe-Si的材料被廣泛使用。
永磁材料的使用可以獲得最小的鎖定力矩，這將通過選擇良好形狀****磁鋼產(chǎn)生磁力作用- (MMF)來實(shí)現(xiàn)。對(duì)于力矩電動(dòng)機(jī)，設(shè)計(jì)師可以通過選擇適當(dāng)?shù)碾妱?dòng)機(jī)齒和極的形狀（結(jié)構(gòu)），得到每相每極下的小數(shù)齒數(shù)。這樣的選擇可以導(dǎo)致轉(zhuǎn)子軛部產(chǎn)生較大的鐵耗。
本文處理了電機(jī)中所有鐵耗的計(jì)算和熱效應(yīng)的分析，它的第2部分給出了鐵耗的計(jì)算：
在定子、轉(zhuǎn)子軛部和磁鋼中，既有有效數(shù)字表示，又有二維有限元法[1][2]。通過應(yīng)用在電梯升降中的直接驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)的整個(gè)鐵耗測(cè)量結(jié)果與模擬結(jié)論作了比較。在第3部分，計(jì)算得出的鐵耗和銅耗用作兩種熱模式的輸入：首先用作電動(dòng)機(jī)熱量圖表[3][4]，其次用于三維的有限元法中。這些結(jié)果與溫度測(cè)量作了比較。在第Ⅳ部分，作者給出了兩種方法準(zhǔn)確程度的綜舍考慮，通過比較每種方法的精確度和運(yùn)行計(jì)算時(shí)間。
2鐵耗測(cè)定
鐵耗測(cè)定需要有磁通密度變化、頻率和所有電動(dòng)視磁鋼部分的磁性材料性能的信息。鐵耗有三個(gè)部分組成：渦流損耗、諧波損耗和額外損耗。用于測(cè)定的現(xiàn)有方法，既沒有應(yīng)用于涉及材料特性、磁通密度、頻率等的分析表達(dá)，也沒有應(yīng)用于損耗采�。ɑ谫A藏特性）磁通密度和頻率的實(shí)際應(yīng)用表達(dá)。
在無刷直流電動(dòng)機(jī)中，鐵耗不僅僅出現(xiàn)在定子上，也出現(xiàn)在轉(zhuǎn)予中，它們?cè)谔厥怆妱?dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)中扮演重要角色，尤其在那些每相每極分?jǐn)?shù)齒數(shù)中。
2.1鐵耗的量化測(cè)定
一組參數(shù)計(jì)算模式DCRAD可以用來去測(cè)定磁損耗【6】。該方法是基于將電動(dòng)機(jī)分成相似的小塊，并且假設(shè)該部分的磁通密度是常數(shù)。特征測(cè)試的步驟如下所示：
等值磁路——網(wǎng)絡(luò)（格）的導(dǎo)磁描繪可以定義電動(dòng)機(jī)的不同部分（定子、轉(zhuǎn)子、氣隙和****磁鋼），每個(gè)電動(dòng)機(jī)繞組是由磁勢(shì)源表示。****磁鋼是由等值磁性能圖表示。
定向圖——等值磁路圖定義好以后，定向圖就可確定。
磁通測(cè)定——當(dāng)定向圖測(cè)定好以后，每條支路等值磁路的磁通方程式就可表示出來。磁通方程式是非線性的，并且通過牛頓法計(jì)算得來。磁路中的每條支路的磁場(chǎng)可任意選擇。
力矩測(cè)定——接下來，當(dāng)測(cè)試到磁飽和時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)產(chǎn)生力短。
電感測(cè)定——平均電感和微分（遞增）電感，是可以計(jì)算的。
渦流損耗——渦流損耗可以通過前面定義過的等值磁路圖測(cè)定。
對(duì)圖l中每個(gè)導(dǎo)磁性，相當(dāng)于電動(dòng)機(jī)的磁性材料部分。該圖表等值于渦流電阻，它與等值于磁導(dǎo)的直流電阻和磁性材料電阻率成比例。
對(duì)支路l的等值渦流阻抗測(cè)定后，Lan(I，I)就是從支路1考慮到整個(gè)磁路的等值磁導(dǎo)。
相當(dāng)于該處渦流損耗的磁導(dǎo)I，與從支路I看的反電勢(shì)值的平方成正比，與該處等值渦流阻抗Zeddy(I)戒反比。
磁滯損耗——方法【6】考慮了強(qiáng)磁材料的特性：首先是百分比特性，對(duì)應(yīng)于完全飽和時(shí)的外部的磁滯回線和內(nèi)部回線，B（H）回線表面是以內(nèi)幅值替換的，磁滯損耗與它的表面成比例的。
額外損耗——額外損耗是通過這樣的一種方法來測(cè)定的，與供應(yīng)商的數(shù)據(jù)相匹配的鐵耗，額外損耗系數(shù)是給定頻率（圖2）磁通密度的函數(shù)有下面表達(dá)式（6）表示
22 有限元法鐵耗測(cè)定
運(yùn)用FLUX2D PEM軟件，它是可能計(jì)算出定子鐵芯中的鐵耗得運(yùn)用公式計(jì)算三類鐵耗。
磁通密度B就是從齒槽盒軛部通過有線元法瞬時(shí)磁路模擬得到，兩系數(shù)均是未知的，他們可以通過供應(yīng)商數(shù)據(jù)特性和下面的方法獲得，首先定義誤差函數(shù)如下：
其中Piron-venderm就是通過供應(yīng)裔給出的磁通密度Bn和頻率fm得到的鐵耗值。
接著Knys和kexc的值就可通過先前較小的誤差函數(shù)的計(jì)算得到。對(duì)UgineM1800-50A疊出(圖3)，下面的值可以獲得
然而，這公式不能用于計(jì)算轉(zhuǎn)子鐵耗。既然交流轉(zhuǎn)子磁通密度部分不同于直流轉(zhuǎn)子磁通密度。式(2)只能應(yīng)用于相關(guān)定子疊片，而不能應(yīng)用于整個(gè)轉(zhuǎn)子。因此，整個(gè)磁滯損耗不能準(zhǔn)確地測(cè)定出。但是，由于轉(zhuǎn)子材料作用于一小段返回線的事實(shí)，這些損耗可以忽略不計(jì)。事實(shí)上，轉(zhuǎn)子和磁鐵損耗可假設(shè)等價(jià)于軛部電流產(chǎn)生的銅耗。于是在有限元法中，額定轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)子軛部和磁鋼部分的電導(dǎo)率是可以定義的，轉(zhuǎn)子軛部的電流是可以計(jì)算出的。
通過二個(gè)穩(wěn)定之后，電流密度的和損耗的變化達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定值。這樣，鐵耗就可以通過計(jì)算每部分的銅耗而推導(dǎo)出來。
2.3無刷直流力矩電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用
考慮一個(gè)無刷宣流力矩電動(dòng)機(jī)，其機(jī)械功率約6 4KW，轉(zhuǎn)速為149r/min并且82HZ的同步頻率。圖4所示的測(cè)試平臺(tái)。知道了直流電動(dòng)機(jī)的損耗�？蛰d無刷直流電動(dòng)機(jī)的損耗就可推導(dǎo)出。由于很難分離出機(jī)械損耗和鐵耗，一個(gè)恒定的2N．m的摩擦力矩就會(huì)存在于測(cè)量過程中。
圖5，顯示了二維磁通等磁力線。有限元法的結(jié)果在圖6—8中給出。那將給出了轉(zhuǎn)子軛部、定子軛部和齒磁通密度相對(duì)于轉(zhuǎn)子位置的變化。
圖9-11，比較了兩種方法中電動(dòng)機(jī)鐵耗的計(jì)算結(jié)果，其對(duì)應(yīng)測(cè)量的比較在圈12中給出。
兩種方法給出了相應(yīng)測(cè)量過程中的差異，估計(jì)的鐵耗總是大于它們的測(cè)量值。這些差異，電流變化的可能解釋如下所示：
永磁LVF的諧波分量和它們的大小是不確定的。永磁磁鋼YfMF的諧波分布影響顯示在圖l3和14中，而且其中標(biāo)準(zhǔn)的純正弦波永磁礎(chǔ)下可以相互比較。對(duì)應(yīng)損耗范圍的變化可以獲得。由于磁通密度分布的影響，其軛部電流計(jì)算值的精度是不夠的。
在對(duì)應(yīng)不同頻率下（50、100和400HZ），供應(yīng)商給出了相應(yīng)的正弦磁通密度的數(shù)據(jù)，而電動(dòng)機(jī)工作覆蓋了400HZ以下范圍的所有頻率，考慮了所有的諧波。為了得到準(zhǔn)確的正弦波結(jié)果，由式(8)和(7)決定的不同的損耗系數(shù)必須研究不同頻率給出高度獨(dú)立的函數(shù)，這個(gè)獨(dú)立性不可證明。
圖l5顯示了給定時(shí)間轉(zhuǎn)予軛部電流密度的色帶陰影結(jié)果。電流集中在轉(zhuǎn)子表面，就在磁鋼下面，確實(shí)，磁通變化在磁鋼和整個(gè)渦流環(huán)之間是晟重要的。表面影響解釋了電流的集中性。表I顯示了磁通密度的平均值；
3 電動(dòng)機(jī)的熱模型
采用兩種不同的方法，其一使用一組熱性能表，其二采用了熱性能的三維有限元法分析。
3 l一組熱性能等值表。
等式(11)定義了熱效應(yīng)
其中Plusses既不是焦耳損耗，也不是考慮部分的鐵耗，典型的是鐵心部分（疊片結(jié)構(gòu)和永磁磁銅）或繞組部分（銅耗）等式(11)右邊的第一項(xiàng)對(duì)應(yīng)于特殊部分的熱量，即為考慮到材料部分積累的熱。第二項(xiàng)對(duì)應(yīng)于傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱量。第三項(xiàng)對(duì)應(yīng)于對(duì)流傳遞產(chǎn)生的熱量輻射現(xiàn)象被忽略了。與此相似，在等式(lI)中涉及到了熱量，阻抗和電流源是顯而易見的。熱量到表中的等價(jià)部分見下面定義。
3.2基本熱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)熱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
****的熱效應(yīng)應(yīng)顯現(xiàn)在此，基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是定義在一個(gè)齒上。定子、氣隙和****磁鐵，轉(zhuǎn)子軛部和空氣中心定義了不同的部分，著且，熱量表結(jié)果（見圖16）基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)含有100個(gè)分支和五個(gè)損失源。完整屯動(dòng)機(jī)的熱拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是考慮到電動(dòng)機(jī)的幾何學(xué)、磁性能和電氣周期而定義的。焦耳
損耗分布在電動(dòng)機(jī)定子結(jié)果lvLYIF的相互關(guān)系之中。Matlab是選用來定義電動(dòng)機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和熱阻抗值得的測(cè)定。Simulink是選用來測(cè)定溫度的變化率。以便在Matlab中解決等價(jià)熱圖表測(cè)定。該表允許考慮只有一個(gè)齒或幾個(gè)齒（直線電機(jī)）以及它們的連接。
3 3三維有限元熱模型
三維磁通軟件允許我們?nèi)ピ敿?xì)描述熱量的3維有限元模型，表示在圖l7中。通常分五個(gè)不同的步驟：幾何學(xué)描述；三維網(wǎng)格；物理描述；解決過程和最后的結(jié)果開發(fā)。主要問題來源于物理描述有三個(gè)原因。首先不同的容量和繞線（包括銅線、云母不可名狀幾何外形的空氣）將不得不以均勻的材料作為模型。結(jié)果是相同的傳導(dǎo)率必須計(jì)算。其次，空氣對(duì)流系數(shù)計(jì)算困難，尤其是在氣隙和繞組周圍。再次，定義邊界條件。上述的方法論已被使用。轉(zhuǎn)子外表面的溫度強(qiáng)行使用Dirichlet邊界條件，與紅外（線）照相機(jī)給出的測(cè)量試驗(yàn)相符合。接著，當(dāng)評(píng)估模型的時(shí)候，考慮到先前測(cè)定的對(duì)流系數(shù)，宜采用非線性Neumann條例。
3 4無刷直流力矩電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用
無刷商流力矩電動(dòng)機(jī)的溫度測(cè)量是在繞組中采用PTIOO探針和紅夕}照相機(jī)。熱源(見表II)和熱傳導(dǎo)在兩種模式中是相同的。在FEM模式中，氣隙的對(duì)流模擬為等值的熱傳導(dǎo)。
對(duì)于三維磁模擬，定子軛部外表面的溫度是基于測(cè)量而強(qiáng)加的，這將意味著整個(gè)模擬中的對(duì)流鄆傳導(dǎo)是正確的，現(xiàn)在則并不完全應(yīng)用正確。氣隙中的對(duì)流因素是由三維磁通強(qiáng)加的，相類似的系數(shù)在整個(gè)模擬中得到介紹。FEM模擬獲得圖19所示電機(jī)槽溫度。整個(gè)熱量圖表在圖18中給出了溫度變化率分布的有伊。陰影帶。下面的圖20給出電動(dòng)機(jī)在額定工作點(diǎn)和24℃環(huán)境溫度下的圖片。
帶有Dirichlet邊界條件的三維磁通模擬在定子和繞組中給出非常滿意的結(jié)果。這是由于真正的溫度是強(qiáng)加在外定子表面的事實(shí)。通過整個(gè)圖表和帶有對(duì)流邊界條件的三維磁通模擬得到定子和繞組的溫度與測(cè)量值之間存在了一些偏差�？梢杂眠@樣的事實(shí)來解釋，對(duì)流部分是通過使用經(jīng)驗(yàn)公估計(jì)而來的，它將在計(jì)算定子表面的熱流通時(shí)存在著不確定性。考慮到轉(zhuǎn)子在圖表的幾何模擬與圖17給出真正的幾何外形中存在著一些不同，這解釋了模擬中的溫度高于實(shí)驗(yàn)中的測(cè)量值。確定在整個(gè)圖表中電動(dòng)機(jī)的非放射性沒有考慮進(jìn)去，以至于轉(zhuǎn)子對(duì)流系數(shù)是低估的。
4結(jié)論 本篇給出了測(cè)定鐵耗的兩種不同方式。第一種采用了一組圖表，而第二種采用了二維FEM模擬。兩種結(jié)果之間存在相應(yīng)的一致性，但它們都與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果并不相同。作者認(rèn)為轉(zhuǎn)子磁通密度的交流部分測(cè)試是一個(gè)關(guān)鍵因素。不幸的是，關(guān)于繞在轉(zhuǎn)子軛部上的繞組在磁鋼中感應(yīng)的反電勢(shì)的試驗(yàn)測(cè)量并沒有給出一個(gè)可操作的結(jié)果。在這一點(diǎn)上將無法確定。熱效應(yīng)的是通過等值圖表在某種方式下測(cè)定的，該圖表是基于參數(shù)方式。該方式讓我們想到第一步是****性的熱效應(yīng)和第二步是瞬時(shí)性的熱效應(yīng)。對(duì)流系數(shù)的測(cè)量和外部條件的改進(jìn)在持續(xù)。有限元法和圖表在比較試驗(yàn)結(jié)果方面給出了好的結(jié)論。但是，可以注意到有限元法對(duì)外部對(duì)流參數(shù)具有更高的敏感性，這將很難測(cè)定的。使用過的方法，包含了試驗(yàn)測(cè)量的調(diào)整系數(shù)看上去都有局限性。這是因?yàn)閷?duì)給定的一個(gè)工作點(diǎn)，上述掌握的方法是非常有效的，但對(duì)其它的工作點(diǎn)都只能給出錯(cuò)誤結(jié)論。在圖表方法中，通過理論表達(dá)計(jì)算得出的熱阻并沒有計(jì)算到試驗(yàn)結(jié)果中去。這種方法對(duì)于一個(gè)更大工作范圍的模式將更為有效。數(shù)示圖表方式需要22分鐘在一個(gè)電氣周期內(nèi)測(cè)定241個(gè)點(diǎn)，包括結(jié)果開發(fā)，在一個(gè)866MHZ的PC機(jī)上和一個(gè)2MO的隨機(jī)存儲(chǔ)器中，數(shù)字圖表需要3分鐘去測(cè)定其溫度，包括軟件Matlab和Simulink結(jié)果開發(fā)。二維磁通計(jì)算需要24小時(shí)在一個(gè)450/fHz256M的隨機(jī)存儲(chǔ)器的PC機(jī)上。三維磁通網(wǎng)格則需要一個(gè)小時(shí)，并且需要10分鐘去解決這些問題（至少256M的存儲(chǔ)器必須用網(wǎng)格捕捉該結(jié)構(gòu)）。結(jié)果是，二維和三維有限元法需要許多的程序控制時(shí)間，而無法比其它方法[10]給出更好的精度。
