CN111856273B - 一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法 - Google Patents

一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，该方法包括如下步骤：S1、获取负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值；S2、建立扁线绕组损耗解析模型，确定负载验温度下的高频交流电阻值，同时考虑转子的旋转效应影响确定负载试验温度下的单相基频交流电阻修正值；S3、对相电流进行傅里叶分解，对各个频次下的焦耳损耗进行叠加得到单相绕组交流损耗；S4、各相绕组交流损耗求和得到电机定子绕组总的交流损耗。与现有技术相比，本发明综合考虑集肤效应、邻近效应以及转子的旋转效应对电机扁线绕组损耗的影响，提高了扁线绕组损耗测试的准确性，解决了扁线永磁同步电机绕组交流损耗测试难的问题。

Description

一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法
技术领域
本发明涉及电机测试技术领域，尤其是涉及一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法。
背景技术
在车用驱动电机高功率密度的发展趋势下，扁线电机技术成为驱动电机新的发展方向。相对于传统的圆导线电机，扁线电机的定子绕组受到高频集肤效应和邻近效应的影响更加显著，使得绕组的涡流损耗增大，进而使得绕组的交流电阻无法用一直流电阻完全代替；同时，扁线绕组的交流电阻随温度的变化呈现非线性变化的趋势。此外，由于电机实际工作在PWM供电模式下，电流谐波也会导致扁线绕组的附加损耗。故三相永磁同步电动机测试标准(GB/T22669-2008)中的绕组损耗测试方法已也不再适用于扁线电机绕组交流损耗的测试应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，该方法提高了扁线永磁同步电机绕组损耗测试的准确性。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，该方法包括如下步骤：
S1、获取负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值；
S2、建立扁线绕组损耗解析模型，确定负载验温度下的高频交流电阻值，同时考虑转子的旋转效应影响确定负载试验温度下的单相基频交流电阻修正值；
S3、对相电流进行傅里叶分解，对各个频次下的焦耳损耗进行叠加得到单相绕组交流损耗；
S4、各相绕组交流损耗求和得到电机定子绕组总的交流损耗。
优选地，步骤S1具体包括：
S11、保持电机的转子静止不动，测量电机定子出线端的电阻得到电机的直流相电阻R1，同时获取定子绕组温度T1；
S12、进行电机的负载试验，得到电机在不同转速与转矩下得到稳态后的定子绕组温度值Tt以及对应的电流波形，Tt确定为负载试验温度，进而求取负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值Rdc：
Figure GDA0002994395990000021
其中，K为常数。
优选地，步骤S2具体为：
S21、基于扁线绕组损耗解析模型确定扁线绕组的交流电阻增大系数与电阻率之间的函数关系；
S22、基于交流电阻增大系数和负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值确定基频交流电阻值以及高频交流电阻值；
S23、考虑电机转子旋转效应的影响，将由转子旋转引起的定子绕组附加损耗与定子绕组直流损耗的比值作为交流电阻的修正系数Kf；
S24、根据修正系数Kf对基频交流电阻值进行修正得到基频交流电阻修正值。
优选地，步骤S21中某相绕组的交流电阻增大系数表示为：
Figure GDA0002994395990000022
Figure GDA0002994395990000023
Figure GDA0002994395990000024
Figure GDA0002994395990000025
其中，Kr为交流电阻增大系数，N1为每相绕组所占同相槽的个数，N2为每相绕组所占异相槽的个数，Kri为电机定子同相槽中扁线导体的平均交流电阻增大系数，Krh为电机定子异相槽中扁线导体的平均交流电阻增大系数，n为槽内导体总数，f为频率，θ为上下双层异相槽中上层电流超前于下层电流的电角度，μ为导体的磁导率，σ为导体的电导率，σ＝1/ρ，ρ为导体电阻率，h为槽内每根导体的高度，c为槽内每根导体的宽度，b为槽宽。
优选地，步骤S22具体为：将基频和高频所对应的频率值带入交流电阻增大系数的函数表达式中求得不同频率下的交流电阻增大系数，进而将不同频率下的交流电阻增大系数分别与负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值相乘得到对应的基频交流电阻值Rac以及高频交流电阻值Rack，k＝2，3，……，N，N为最高频次。
优选地，步骤S23具体为：建立永磁同步电机的有限元模型，可得到由转子旋转效应带来的附加损耗随转速与电流的变化情况，进而与绕组的直流损耗作商，其比值为交流电阻的修正系数Kf。
优选地，步骤S24基频交流电阻修正值具体为：
Rac1＝KfRdc+Rac
其中，Rac1为基频交流电阻修正值，Rdc为负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值，Rac为基频交流电阻值。
优选地，步骤S3单相绕组交流损耗表示为：
Figure GDA0002994395990000031
其中，Pcul0为单相绕组交流损耗，Rdc为负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值，i0为相电流的直流分量；
当k＝1时，Rac1为基频交流电阻修正值，i1为相电流的基波幅值分量；
当k>1时，Rack为k次交流电阻值，ik为相电流的k次谐波幅值分量，N为最高频次。
优选地，步骤S4中电机定子绕组总的交流损耗表示为：
Pcul＝mPcul0
其中，Pcul为电机定子绕组总的交流损耗，m为永磁同步电机的相数。
优选地，定子绕组温度通过埋置于定子绕组端部的温度传感器实时获取。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提出的扁线永磁同步电机绕组损耗的测试方法，考虑谐波电流影响，通过傅里叶分解法对相电流分解，基于直流电阻与交流电阻计算各频次电流产生的焦耳损耗，同时考虑负载温度与转子旋转效应影响，对电阻进行修正，各次焦耳损耗叠加即得单相绕组交流损耗，最后通过各相绕组损耗求和得到电机总的绕组交流损耗，该方法不仅考虑了温度对扁线绕组损耗的影响，还考虑了电机转子的旋转效应对定子绕组产生的附加损耗和谐波电流造成的额外损耗，即本发明综合考虑集肤效应、邻近效应以及转子的旋转效应对电机扁线绕组损耗的影响，提高了扁线绕组损耗测试的准确性，解决了扁线永磁同步电机绕组交流损耗测试难的问题，且易于实现。
附图说明
图1为本发明扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法的流程框图；
图2为本发明电机定子槽内导体分布图，图2中的(a)为电机定子同相槽导体分布，图2中的(b)为电机定子异相槽导体分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。
实施例
如图1所示，本发明提出的扁线永磁同步电机绕组损耗的测试方法，具体包含以下步骤：
步骤一：保持电动机的转子静止不动，采用数字式微欧计测量电机定子出线端的电阻进而得到电机的直流相电阻R1，使用温度传感器埋置于定子绕组端部测量绕组温度T1。
步骤二：基于测功机试验平台进行电机的负载试验，得到电机在不同转速与转矩下得到稳态后的绕组温度值Tt以及电流波形。根据直流电阻与温度的线性关系，计算得到负载试验温度下所对应的相电阻值，其关系可以表示为：
Figure GDA0002994395990000041
式中Rdc为负载试验温度所对应的相电阻；K为常数，对于铜导线，K取235。
步骤三：通过扁线绕组损耗的解析模型，得到扁线绕组的交流电阻增大系数与电阻率之间复杂的非线性函数关系，借助电阻率与温度的线性关系，得到试验温度下电机定子绕组的基频交流电阻值与高频交流电阻。
扁线绕组损耗的解析模型是以麦克斯韦电磁场方程组为基础，考虑集肤效应和邻近效应，通过对导体周边及其内部磁场进行简化而建立的数学解析模型。电机定子槽内的导体分布如图2所示，其中槽内每根导体的高度为h，宽度为c，长度为l，槽宽为b。以第p根导体为例，运用安培环路定理与电磁感应定律，可得涡流场方程
Figure GDA0002994395990000051
其解为
Figure GDA0002994395990000052
其中
Figure GDA0002994395990000053
通过全安培环路定律可以得到边界磁场强度值，代入涡流场方程进行求解可得到槽内每根导体的磁通密度、电场强度以及电流密度的分布函数。则进入第p根导体的复功率为
Figure GDA0002994395990000054
其中P为导体的交流损耗。将交直流绕组损耗之比定义为交流电阻增大系数，用于表征交直流电阻变化的比例。通过推导可以得到电机定子同相槽和异相槽中扁线导体的平均交流电阻增大系数表达式，分别为：
Figure GDA0002994395990000055
Figure GDA0002994395990000056
式中，
Figure GDA0002994395990000057
其中，n为槽内导体总数，f为频率，θ为上下双层异相槽中上层电流超前于下层电流的电角度，μ为导体的磁导率，σ为导体的电导率，也是导体电阻率的倒数即σ＝1/ρ。
则对于某相绕组的交流电阻增大系数可以表示为：
Figure GDA0002994395990000061
其中N1为每相绕组所占同相槽的个数，N2为所占异相槽的个数，Kri为电机定子同相槽中扁线导体的平均交流电阻增大系数，Krh为电机定子异相槽中扁线导体的平均交流电阻增大系数。
通过带入基频和高频所对应的频率值，可得到所对应频次的交流电阻增大系数，其与负载试验温度下直流电阻Rdc的乘积即为所对应的基频交流电阻Rac与高频交流电阻Rack。
步骤四：不同于其他磁性元件的绕组损耗分析，除集肤效应和邻近效应外，电机中的转子旋转也会增加绕组的涡流损耗。内嵌在转子铁芯中的永磁体，作为磁场的场源，随着转子的旋转会产生一个旋转磁场，与定子绕组通三相对称交流电所产生的磁场叠加，叠加后的磁场决定了电机的主磁通和漏磁通分布，进而影响定子槽内导体的电流密度分布，从而使得槽内绕组产生附加损耗。将电机在转子旋转与否情况下的绕组损耗差异定义为由转子旋转效应产生的绕组附加损耗。通过建立永磁同步电机的有限元模型，可得到由转子旋转效应带来的附加损耗随转速与电流的变化情况。
考虑电机转子旋转效应的影响，将由转子旋转引起的绕组附加损耗与绕组直流损耗的比值作为解析模型求得的交流电阻的修正系数Kf，按照下式对基频交流电阻进行修正，其中Kr为解析模型得到的交流电阻增大系数。
Rac1＝KfRdc+Rac
步骤五：对负载试验下的电机相电流波形进行频谱分析，得到相电流的直流分量、基波幅值以及各次谐波幅值。对各个频次下的焦耳损耗进行叠加从而得到单相绕组的交流损耗。
Figure GDA0002994395990000062
式中，Rac0和i0分别为绕组的直流电阻与电流的直流分量；当k＝1时，Rac1和i1分别对应绕组的基频交流电阻与电流的基波幅值分量，当看k>1时，Rack和ik分别对应绕组的高频交流电阻与电流的第k次谐波幅值分量。
步骤六：电机定子绕组总的交流损耗计算如下：
Pcul＝mPcul0
式中，m为永磁同步电机的相数。
本发明提出的扁线永磁同步电机绕组损耗的测试方法，考虑谐波电流影响，通过傅里叶分解法对相电流分解，基于直流电阻与交流电阻计算各频次电流产生的焦耳损耗，同时考虑负载温度与转子旋转效应影响，对电阻进行修正，各次焦耳损耗叠加即得单相绕组交流损耗，最后通过各相绕组损耗求和得到电机总的绕组交流损耗，该方法不仅考虑了温度对扁线绕组损耗的影响，还考虑了电机转子的旋转效应对定子绕组产生的附加损耗和谐波电流造成的额外损耗，提高了扁线绕组损耗测试的准确性，解决了扁线永磁同步电机绕组交流损耗测试难的问题，且易于实现。
上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (10)

1.一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、获取负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值；
S2、建立扁线绕组损耗解析模型，确定负载验温度下的高频交流电阻值，同时考虑转子的旋转效应影响确定负载试验温度下的单相基频交流电阻修正值；
S3、对相电流进行傅里叶分解，对各个频次下的焦耳损耗进行叠加得到单相绕组交流损耗；
S4、各相绕组交流损耗求和得到电机定子绕组总的交流损耗。
2.根据权利要求1所述的一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
S11、保持电机的转子静止不动，测量电机定子出线端的电阻得到电机的直流相电阻R1，同时获取定子绕组温度T1；
S12、进行电机的负载试验，得到电机在不同转速与转矩下得到稳态后的定子绕组温度值Tt以及对应的电流波形，Tt确定为负载试验温度，进而求取负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值Rdc：
Figure FDA0002994395980000011
其中，K为常数。
3.根据权利要求1所述的一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，其特征在于，步骤S2具体为：
S21、基于扁线绕组损耗解析模型确定扁线绕组的交流电阻增大系数与电阻率之间的函数关系；
S22、基于交流电阻增大系数和负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值确定基频交流电阻值以及高频交流电阻值；
S23、考虑电机转子旋转效应的影响，将由转子旋转引起的定子绕组附加损耗与定子绕组直流损耗的比值作为交流电阻的修正系数Kf；
S24、根据修正系数Kf对基频交流电阻值进行修正得到基频交流电阻修正值。
4.根据权利要求3所述的一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，其特征在于，步骤S21中某相绕组的交流电阻增大系数表示为：
Figure FDA0002994395980000021
Figure FDA0002994395980000022
Figure FDA0002994395980000023
Figure FDA0002994395980000024
其中，Kr为交流电阻增大系数，N1为每相绕组所占同相槽的个数，N2为每相绕组所占异相槽的个数，Kri为电机定子同相槽中扁线导体的平均交流电阻增大系数，Krh为电机定子异相槽中扁线导体的平均交流电阻增大系数，n为槽内导体总数，f为频率，θ为上下双层异相槽中上层电流超前于下层电流的电角度，μ为导体的磁导率，σ为导体的电导率，σ＝1/ρ，ρ为导体电阻率，h为槽内每根导体的高度，c为槽内每根导体的宽度，b为槽宽。
5.根据权利要求4所述的一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，其特征在于，步骤S22具体为：将基频和高频所对应的频率值带入交流电阻增大系数的函数表达式中求得不同频率下的交流电阻增大系数，进而将不同频率下的交流电阻增大系数分别与负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值相乘得到对应的基频交流电阻值Rac以及高频交流电阻值Rack，k＝2，3，……，N，N为最高频次。
6.根据权利要求3所述的一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，其特征在于，步骤S23具体为：建立永磁同步电机的有限元模型，可得到由转子旋转效应带来的附加损耗随转速与电流的变化情况，进而与绕组的直流损耗作商，其比值为交流电阻的修正系数Kf。
7.根据权利要求3所述的一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，其特征在于，步骤S24基频交流电阻修正值具体为：
Rac1＝KfRdc+Rac
其中，Rac1为基频交流电阻修正值，Rdc为负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值，Rac为基频交流电阻值。
8.根据权利要求1所述的一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，其特征在于，步骤S3单相绕组交流损耗表示为：
Figure FDA0002994395980000031
其中，Pcul0为单相绕组交流损耗，Rdc为负载试验温度下电机定子绕组的直流电阻值，i0为相电流的直流分量；
当k＝1时，Rac1为基频交流电阻修正值，i1为相电流的基波幅值分量；
当k>1时，Rack为k次交流电阻值，ik为相电流的k次谐波幅值分量，N为最高频次。
9.根据权利要求8所述的一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，其特征在于，步骤S4中电机定子绕组总的交流损耗表示为：
Pcul＝mPcul0
其中，Pcul为电机定子绕组总的交流损耗，m为永磁同步电机的相数。
10.根据权利要求2所述的一种扁线永磁同步电机绕组损耗测试方法，其特征在于，定子绕组温度通过埋置于定子绕组端部的温度传感器实时获取。
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高速永磁同步电动机绕组交流损耗计算;黄娜等;《探索与观察》;20190323;80-81 *

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