【正文】 負載速度響應(yīng)波形 (d)A相電壓波形(e)A相電流波形 (f)A相電流穩(wěn)態(tài)波形(g)電磁轉(zhuǎn)矩波形 (h)穩(wěn)態(tài)電磁轉(zhuǎn)矩波形圖328 負載運行仿真結(jié)果 ，通過有限元仿真的后處理可以得到轉(zhuǎn)子某一位置在一定時間段內(nèi)的磁密變化情況如，具體值如下表32所示。表32 磁密隨時間的變化情況時間/ms磁密大小/T保護套磁鋼磁軛0磁密變化率表33 轉(zhuǎn)子鐵損耗計算結(jié)果部件保護套磁鋼磁軛總損耗損耗值由表33計算結(jié)果可以看出，其中損耗主要集中在磁鋼和磁軛部分，%。 本章小結(jié)本章首先對稀土永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子鐵損耗的三種計算方法進行了說明；接著提出了適用于本文的轉(zhuǎn)子鐵損耗分析方法：結(jié)合有限元的轉(zhuǎn)子鐵損耗磁鋼分塊解析法和結(jié)合有限元的轉(zhuǎn)子鐵損耗磁鋼未分塊解析法；，給出了樣機在空載和負載時的仿真結(jié)果；最后結(jié)合有限元仿真分析結(jié)果。文章中的轉(zhuǎn)子鐵損耗理論分析方法和轉(zhuǎn)子鐵損耗理論計算方法對于研究稀土永磁無刷直流電動機的損耗產(chǎn)生機理和損耗分布情況有著重要的意義，對于提高稀土永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子鐵損耗分析理論具有一定的參考作用。第四章 稀土永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子鐵損耗的試驗分析目前國內(nèi)外針對稀土永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子鐵損耗的研究主要集中在理論分析和仿真分析，然而如何將這部分損耗從其總損耗中用實驗分離出來卻沒有一個有效的方法。本章主要對稀土永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子鐵損耗的分離試驗進行探索性研究，首先對試驗原理進行了闡述，然后詳細的闡述了試驗步驟，最后通過具體試驗以及后期的數(shù)據(jù)處理將這部分損耗分離了出來。 轉(zhuǎn)子鐵損耗分離試驗原理通過單電機直接測量轉(zhuǎn)子的鐵損耗時，較為有效的方法可以借鑒文獻[43]所示的“thermometric method”。稀土永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子是發(fā)熱源，所以可以通過公式(41)來測量轉(zhuǎn)子的鐵損耗。 (41)式中 ——測量部件的質(zhì)量；——測量部件的比熱； ——起始時刻部件的溫度變化率。 然而考慮到轉(zhuǎn)子同時也是傳熱部件，要想較為準確的測量出樣機的轉(zhuǎn)子的鐵損耗，則從樣機開始運行到測試結(jié)束，這段時間間隔要盡可能的短，數(shù)據(jù)采集時間間隔也要盡可能的小，可是由于越到測試后期測試誤差越大，所以通過這種方法測試轉(zhuǎn)子的鐵損耗時精確度難以保證。為了有效地測出樣機的轉(zhuǎn)子鐵損耗，本文設(shè)計了對拖試驗來間接測量轉(zhuǎn)子的鐵損耗，試驗原理圖如圖41所示。圖41 對拖試驗分離轉(zhuǎn)子鐵損耗原理圖圖41中電動機的損耗包括定子部分的鐵耗()，銅耗()，轉(zhuǎn)子部分的鐵耗()以及機械損耗()和雜散損耗()。發(fā)電機部分的損耗包括定子部分的鐵耗()，銅耗()，機械損耗()和雜散損耗()。和可以通過經(jīng)驗公式(42)計算得到，和可以通過式(43)計算得到，和主要為機械損耗，大小近似相等，和大小近似相等。各部分損耗計算方法如下所示： (42)式中：——由于硅鋼片加工、磁密分布不均、以及其不隨時間正弦變化等原因而引起損耗增加的系數(shù)；——當B=1T，f=50Hz時，單位重量內(nèi)的損耗； ——齒部磁密的平均值、鐵心重量； ——軛部磁密的平均值、鐵心重量。 (43)此損耗等于繞組電流的二次方與電阻的乘積。如果電機具有多個繞組，則應(yīng)分別計算各繞組基本銅耗，然后相加得到。式中 ——穩(wěn)態(tài)工作時相繞組電流；——穩(wěn)態(tài)工作時相繞組電阻； (44) (45)所以： (46) 轉(zhuǎn)子鐵損耗的試驗驗證。試驗采用日本橫河公司的WT3000測功儀進行了測量。該儀器具有高精度、寬頻帶、多通道等優(yōu)點，％(為目前世界最高)；頻率測量范圍為：～1MHz；具備4個可同步測量的輸入單元，支持輸入輸出同步測量，可以同時測量電壓、電流、功率和諧波畸變率(THD)； ，能夠顯示各種波形。WT3000測功儀的強大功能為試驗數(shù)據(jù)的采集提供了方便，也為試驗數(shù)據(jù)的精確度提供了保證。其它測試儀器包括直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源SWYK300V100AG、直流穩(wěn)壓電源HT172數(shù)字示波器TDS202數(shù)字毫歐表ZS5測溫儀等等。 轉(zhuǎn)子鐵損耗分離試驗步驟試驗方法：用數(shù)字毫歐表ZS51測量樣機在室溫下的電樞每相繞組電阻值。試驗方法：，空載運行，測試樣機的空載總損耗。試驗步驟如下：(1)將一臺樣機連接并固定在試驗臺上，三相繞組接入控制器三相輸出。(2)開機前準備：系統(tǒng)電氣和機械連接檢測，控制電壓和母線電壓調(diào)至零。(3)示波器開機，用以檢測HALL信號頻率；控制器控制電壓24V接通，控制器母線電源通電（調(diào)至0V）。(4)占空比100%不變升母線直流電壓至270V，由上位機給控制器發(fā)出電機轉(zhuǎn)速為5000rpm的指令，電機正轉(zhuǎn)。(5)測量電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速、電壓和電流、功率、控制器輸入端母線電流及功率。試驗方法：，一臺作為電動機，一臺作為發(fā)電機，發(fā)電機三相繞組絕緣開路，測試對拖系統(tǒng)空載時的總損耗。試驗步驟如下：(1)將兩臺型號相同的樣機轉(zhuǎn)軸使用聯(lián)軸器連接起來并固定在臺架上，一臺樣機繞組接入控制器三相輸出，另一臺樣機繞組絕緣開路，作為發(fā)電機。(2)開機前準備：系統(tǒng)電氣和機械連接檢測，控制電壓和母線電壓調(diào)至零。(3)控制器控制電壓24V接通，占空比100%，母線電源通電（調(diào)至0V）。(4)發(fā)開機信號，逐步增加母線電壓，電機起動，如無問題，電壓調(diào)至270V。(5)向下調(diào)整占空比，當對拖系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為5000rpm時，測量控制器輸出端電流，電壓及功率。試驗方法：，一臺作為電動機，一臺作為發(fā)電機，發(fā)電機帶動BX837型電阻箱負載，測試對拖系統(tǒng)負載時的總損耗。試驗步驟如下：(1)將兩臺型號相同的樣機轉(zhuǎn)軸使用聯(lián)軸器連接起來并固定在臺架上，一臺樣機繞組接入控制器三相輸出，另一臺樣機繞組外串接兩臺可調(diào)電阻箱BX837(電阻值調(diào)至最大)，作為發(fā)電機。(2)開機前準備：系統(tǒng)電氣和機械連接檢測，控制電壓和母線電壓調(diào)至零。(3)控制器控制電壓24V接通，占空比100%，母線電源通電（調(diào)至0V）。(4)發(fā)開機信號，逐步增加母線電壓，電機起動，如無問題，電壓調(diào)至270V。(5)調(diào)節(jié)電阻箱阻值，通過示波器觀察對拖系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速，當系統(tǒng)轉(zhuǎn)速為5000rpm時，停止調(diào)節(jié)電阻。(6)測量對拖系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后的轉(zhuǎn)速、母線電壓和電流、電動機后端蓋溫度、控制器輸出端電流電壓及功率，發(fā)電機輸出功率。圖42 樣機負載對拖試驗 轉(zhuǎn)子鐵損耗分離試驗結(jié)果測試環(huán)境約為28℃，相對濕度為77%。表41 電樞冷態(tài)電阻測試結(jié)果線電阻(Ω)相電阻(Ω)ABBCACABC表42 空載試驗測試結(jié)果輸入功率母線電流電機輸入功率rpmHzWmA mAVW49834504980440498047849834694983419注：表示電機空載轉(zhuǎn)速；表示電壓頻率；表示兩表法測得的電機相電流有效值的平均值；表示兩表法測得的電機線電壓有效值的平均值。表43 空載對拖試驗測試結(jié)果輸入功率母線電流電機輸入功率rpmHzWmA mAVW50075007501016750075010167注：表示對拖系統(tǒng)轉(zhuǎn)速；表示電動機側(cè)電壓頻率；表示兩表法測得的對拖系統(tǒng)電動機側(cè)相電流有效值的平均值；表示兩表法測得的對拖系統(tǒng)電動機側(cè)線電壓有效值的平均值。表44 負載對拖試驗測試結(jié)果電動機輸入功率發(fā)電機輸出功率溫度rpmHzWAWA℃50014983501049981332084992注：表示對拖系統(tǒng)轉(zhuǎn)速；表示電動機側(cè)電壓頻率；表示兩表法測得的對拖系統(tǒng)電動機側(cè)相電流有效值的平均值；表示兩表法測得的對拖系統(tǒng)電動機側(cè)相電流有效值的平均值；溫度為對拖系統(tǒng)電動機側(cè)后端蓋測得的溫度值。 轉(zhuǎn)子鐵損耗分離試驗結(jié)果分析：定子部分的鐵損耗，銅耗，轉(zhuǎn)子部分的空載鐵損耗，機械損耗和雜散損耗。：電動機側(cè)定子部分的鐵損耗，銅耗，轉(zhuǎn)載部分的空載鐵損耗，機械損耗和雜散損耗；發(fā)電機側(cè)定子部分的鐵損耗，轉(zhuǎn)子部分的機械損耗和雜散損耗。：電動機側(cè)定子部分的鐵損耗，銅耗，轉(zhuǎn)子部分的空載鐵損耗，機械損耗和雜散損耗；發(fā)電機側(cè)定子部分的鐵損耗，銅耗，轉(zhuǎn)子部分的機械損耗和雜散損耗。由式46式可知，轉(zhuǎn)子的鐵損耗可以通過雙電機的負載對拖試驗得到。其中，電動機的輸入功率為表44電動機輸入功率的平均值，發(fā)電機的輸出功率為表44發(fā)電機輸出功率的平均值。電動機的機械損耗和雜散損耗與發(fā)電機的機械損耗和雜散損耗近似相等，它的值可以用空載對拖試驗電動機側(cè)的輸入功率與單電機空載試驗的輸入功率相減，然后減去空載對拖試驗發(fā)電機側(cè)定子部分的鐵損耗得到，其中，空載對拖試驗電動機側(cè)的輸入功率為表43電機功率的平均值，單電機空載試驗的輸入功率為表42電機功率的平均值，空載對拖試驗發(fā)電機側(cè)定子部分的鐵損耗可以通過式42間接計算得到。對拖系統(tǒng)負載穩(wěn)態(tài)運行時電動機側(cè)的定子鐵耗和發(fā)電機側(cè)的定子鐵耗可以通過式42間接計算得到。對拖系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時電動機側(cè)的銅耗和發(fā)電機側(cè)的銅耗可以通過式43計算得到。相關(guān)參數(shù)值和簡要計算如下所示。1.： 2.： 3. 所以：4. 5. 6. 轉(zhuǎn)子鐵損耗分離試驗結(jié)果誤差分析，實測結(jié)果明顯偏小，分析原因如下。，實際上兩者并不相同，且有較大的差值(詳見第五章)，這點引起了分析誤差。、樣機空載對拖試驗、樣機負載對拖試驗三步完成的，三個試驗理論上要求電機的轉(zhuǎn)速要保持相同，也就是要求試驗的可重復性要好，實際中做到這一點較為困難。，實際中這部分鐵損耗是存在的，在以后精確地試驗設(shè)計時是需要考慮的。，可是實測表明對拖系統(tǒng)的連接軸是有溫升的，說明在連接軸上是存在損耗的。由以上分析可以看出造成轉(zhuǎn)子鐵損耗試驗誤差較大的原因，很大一部分是因為中間測試結(jié)果較多造成的，在進一步的改進試驗分析中可以采用一次負載對拖試驗測試轉(zhuǎn)子的鐵損耗，即將式46加法式改成減法式，減法式的核心是測試對拖系統(tǒng)的連軸器上的輸出功率，詳細過程不再累述。 本章小結(jié)本章主要對稀土永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子鐵損耗分離試驗進行了探索性的研究設(shè)計，闡明了試驗原理和步驟。試驗結(jié)果與第三章的解析法計算結(jié)果相比存在較大的誤差，后期可以通過改進試驗方法，優(yōu)化試驗步驟完善整個試驗過程，稀土永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子鐵損耗分離試驗方法研究在后續(xù)工作中將繼續(xù)展進行。 第五章 稀土永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)子鐵損耗的仿真分析通過優(yōu)化設(shè)計稀土永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來減小樣機的鐵損耗，提升樣機的穩(wěn)態(tài)運行性能，提高樣機的效率是一項復雜的工作。表貼式稀土永磁無刷直流電動機的轉(zhuǎn)子鐵損耗在轉(zhuǎn)子各部件上的分布情況，轉(zhuǎn)子保護套材料的選擇，轉(zhuǎn)子磁鋼的分塊數(shù)目對電機的優(yōu)化設(shè)計有很大的影響。，轉(zhuǎn)子磁鋼不同分塊結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)子保護套采用不同材料的情況下，轉(zhuǎn)子鐵損耗的大小和分布情況進行了仿真研究，得到了一些實用的結(jié)論。 轉(zhuǎn)子鐵損耗的有限元分析在轉(zhuǎn)子磁鋼分塊時，按照創(chuàng)建幾何模型、設(shè)定物理屬性、剖分劃分網(wǎng)格、求解、后處理的過程，構(gòu)建了二維有限元模型并進行了分析，模型如圖51所示。(a) (b) (c)圖51 轉(zhuǎn)子磁鋼分塊結(jié)構(gòu)(a) 轉(zhuǎn)子磁鋼分兩塊 (b) 轉(zhuǎn)子磁鋼分四塊 (c) 轉(zhuǎn)子磁鋼分八塊保護套材料分別采用鋁和不銹鋼，用Magnet中的瞬態(tài)求解器，仿真時間為0~80ms。 空載運行仿真結(jié)果空載運行時磁鋼的分塊對樣機的氣隙磁密、相電壓以及速度響應(yīng)并無較大影響，以上各個響應(yīng)曲線的包絡(luò)線在轉(zhuǎn)子磁鋼分塊的情況下基本一致，對樣機穩(wěn)態(tài)運行性能影響較大的主要是保護套材料的選取，因此在以下的空載和負載的分析時，只列出樣機的運行性能在轉(zhuǎn)子保護套材料不