基于运行曲线的永磁电机损耗计算与优化模型研究

The permanent magnet (PM) motor has been widely used in the field of transportation, especially for metro and high speed railway applications. The loss calculation of PM motors plays basic and key part in the design, furthermore, models, which take operation curves and control circuits into account, for loss calculation and optimization are the focus of scholars. Most methods of loss calculation have not fully considered the influence of dc-bias from permanent magnets and non-sinusoidal excitation from inverters in losses. Moreover, most of the calculations and optimizations are carried out based on the rated operation condition instead of the globe calculation and optimization with operation curves. This project tries to analyze the influence of harmonics and dc-bias excitations in losses in magnetic materials with waveform modulation, and establish a loss model for PM motors in the condition of non-sinusoidal and dc-bias excitations. A fast analytical model is built for the PM motor and embedded in the model of control system. Based on these, we calculate the loss distribution based on traction curves. An overall optimization is carried out on the basis of the operation curve. The model of loss calculation and optimization for PM traction motors will be established. The theory and technology will be developed to enhance the ability for PM motor design.

永磁电机在交通领域，尤其是地铁与高速列车场合得到了广泛引用，其损耗计算是牵引电机设计的关键之一，基于运行曲线与驱动控制电路的损耗计算与优化模型的研究具有重要意义。现有的损耗计算没有充分考虑永磁电机固有的直流偏置特性与变频器非正弦激励对损耗的影响，而且计算与优化大多基于额定工作点出发，没有紧密结合运行曲线进行全局计算与优化。针对这些问题，本项目通过变频器波形调制测试研究谐波以及直流偏置对铁磁材料损耗的影响，建立适用于永磁电机的非正弦直流偏置激励下的材料损耗计算模型；利用解析法构建永磁电机快速计算模型，并建立电机与控制电路的联合仿真模型，结合材料损耗计算模型得到基于牵引曲线的电机不同工作点下的损耗分布模型；最终结合运行曲线提出电机损耗的全局优化方法。课题将建立基于运行曲线与驱动控制电路的永磁电机损耗计算与优化模型，形成系统的理论与技术体系，提高永磁电机的设计优化能力。

永磁电机在交通领域，尤其是地铁与高速列车场合得到了广泛引用，其损耗计算是牵引电机设计的关键之一，基于运行曲线与驱动控制电路的损耗计算与优化模型的研究具有重要意义。现有的损耗计算没有充分考虑永磁电机固有的直流偏置特性与变频器非正弦激励对损耗的影响，而且计算与优化大多基于额定工作点出发，没有紧密结合运行曲线进行全局计算与优化。针对这些问题，本项目搭建了幅值、频率、谐波含量、直流偏置量可调的铁磁材料测试平台，通过测试研究非正弦下基波和各次谐波变化率在各自频域、已知磁感应强度值水平下对材料磁化状态的影响，以及直流偏置下磁感应强度交流分量与直流偏置量的交互影响，建立了适用于永磁电机的非正弦、直流偏置激励下的材料损耗计算模型；基于动态磁网络方法构建永磁电机快速计算模型，通过与有限元仿真软件的对比验证了动态磁网络模型的准确性；采用冻结磁导率方法计算电机交直轴电枢反应电感参数在各运行状态下的动态变化，在Matlab软件建立电机磁网络与控制电路的联合仿真模型，求解各运行状态下的电机动态特性；在动态磁网络分析结果上，结合材料损耗计算模型得到基于牵引曲线的电机各运行状态的损耗分布模型；提取京沪线某一区间内的列车运行曲线，结合遗传算法对电机5个定转子结构参数进行优化，得到的电机性能满足高速列车技术需求；拟定了电机损耗测试分离方案并进行型式试验，试验结果表明：电机效率97.8%，功率密度大于1kW/kg，等效测试与变频器驱动下电机额定工作点的铁损计算误差分别为5.26%和7.72%。