考虑饱和效应和环境应力的电机定子铁耗机理分析与建模

In order to improve the efficiency of servo drive permanent magnet synchronous motors(PMSM) during all operation condition, which sustain the complex environmental stress in aerospace and ocean, this project focuses on stator core flux distribution laws and loss characteristics of PMSM taking into account the variation of magnetic saturation, temperature and pressure. Topics include: theoretical analyzing the mechanism and law of the stator core permeability and conductivity affected by temperature and pressure, studying the stator core flux distribution and variation law considering magnetic saturation effect under all operation condition; exploring the combined action mechanism of fundamental and harmonic flux for iron loss, revealing the different characterizations and internal mechanisms between alternating magnetization and rotating magnetization process; studying variable coefficient combined analytical modeling methods for loss; developing 2-dimensional magnetic property test systems considering temperature and pressure for giving the basis of theoretical analysis; establishing multi-field coupling finite element model, which includes electromagnetic field, temperature field and pressure field, to verify the validity of variable coefficients combined analytic modeling methods of loss. This project aims at revealing the impact mechanism of saturation effects and environmental stress on the stator core flux and loss, and will lay a foundation of theory and technology for accurately predicting the stator core loss of PMSM taking into account saturation effect, temperature and pressure.

为满足航空、航天、航海等领域复杂环境应力下伺服驱动永磁同步电机全工况高效率运行的需求，本项目将围绕考虑磁路饱和、温度和压力变化的永磁同步电机定子铁心磁通分布规律和损耗特性进行基础科学研究。具体包括：理论分析定子铁心磁导率与电导率受温度和压力影响机理及规律，研究电机全工况运行下考虑磁路饱和效应的定子铁心磁通分布与变化规律；探寻在不同饱和状态、温度和压力下，基波磁通和谐波磁通对损耗共同作用机制，交变磁化和旋转磁化过程不同特性表征与内在机理；研究变系数混合损耗解析建模方法；研制融合温度和压力的二维磁特性测试系统，测试结果为理论分析提供依据；建立电磁场、温度场、压力场多场耦合有限元数值模型，验证变系数混合损耗解析建模方法的有效性。本项目的开展旨在揭示饱和效应与环境应力对定子铁心磁通和损耗的影响机理，可为准确预测考虑饱和效应、温度和压力的伺服驱动永磁同步电机定子铁心损耗奠定理论和技术基础。

在永磁同步电机工作时，定子铁心损耗占较大比重。其中，由旋转磁通产生的旋转铁耗不容忽视。同时，定子铁耗还将受外界应力和温度的影响。因此，准确预测电机铁耗，需要同时考虑电机工况、旋转磁通以及环境应力等多种影响因素。在此，本项目针对考虑上述因素影响的电机铁耗进行系统性研究。. 首先，采用2D有限元仿真的方法研究了考虑饱和特性的永磁同步电机定子铁心的磁通变化及相应损耗变化规律。针对50kW内置式永磁同步电动机分析其在不同工况下的磁通和铁耗分布，发现电机定子铁心齿尖的饱和程度最高，造成了随时间变化的切向和径向磁通波形畸变都非常严重，齿中和轭部的饱和程度较低，磁通波形的正弦度较好，谐波成分较少。同时，仿真描述了铁耗的大小主要依赖于磁通的变化率。.然后，明晰电机定子铁耗的产生机制，从微观磁畴的角度出发，理论分析饱和效应、温度、压力以及旋转磁通对铁心材料磁特性的影响规律。得到当磁通波形畸变时，实际的定子铁耗受饱和效应影响，且大于各次谐波磁通计算的铁耗之和。此外，铁耗将随铁心温度增加而降低，随压应力增加而升高。. 同时，设计、搭建考虑应力、温度的二维磁特性测量装置，应用3D有限元仿真方法分析验证其测量准确性。通过PCB（印制电路板）设计了一种新型H测量线圈，用以提高对待测样品内磁场强度测量的准确性。利用该装置，对20WTG1500型号电工钢立方样件进行考虑应力的二维磁特性初步测量实验。实验结果表明，随叠压方向应力增加，铁心交变及旋转磁特性均恶化。同时，基于实验，得到考虑应力的磁阻张量数学模型。.最后，完善二维磁特性测量系统，设计用于检测磁通密度、磁场强度及压力的信号调理电路，以及基于线性运放的功率放大励磁电路，使该测量系统能够实现磁通密度闭环控制。