PWM逆變器供電下機器人用永磁電機定子鐵心損耗分析

安川電機（沈陽）有限公司 李 敏

沈陽工業大學國家稀土永磁電機工程技術研究中心 朱龍飛

機器人用永磁伺服電機通常采用PWM逆變器供電，逆變器的斬波效應會在電機繞組內引入與載波頻率相關的高次諧波電流成分，這些高次諧波電流會在定子鐵心內引起小磁滯回線，從而影響電機的鐵心損耗。本文搭建機器人用永磁伺服電機的控制模型，分析PWM供電情況下的高次諧波電流成分，并對PWM供電情況下的電機定子鐵心磁密波形和損耗進行分析，探索PWM逆變器供電對永磁伺服電機定子鐵心損耗的影響規律。

1 永磁電機鐵心損耗分析模型

工程上較為常用的計算永磁電機鐵心損耗的方法為基于Bertotti提出的三項式損耗分立模型，如式(1)所示，損耗模型中各個未知參數可利用廠家提供的鐵心損耗密度數據經非線性擬合得出。

式中：pFe為鐵心損耗密度，f為基波頻率，Bm磁密幅值，kh、α為磁滯損耗系數，kc為渦流損耗系數，ke為異常損耗系數。

利用該方法計算鐵心損耗的優勢在于可采用硅鋼片廠家提供的低頻損耗曲線來預估高頻時此種硅鋼片的損耗。該方法適用于計算正弦交變情況下鐵心的損耗，當采用逆變器供電時，高次電流諧波會在定子鐵心內引起小磁滯回線現象，定子鐵心損耗也將隨之發生改變。

2 PWM供電永磁電機繞組電流波形

利用Simulink模塊搭建機器人用三相永磁伺服電機矢量控制仿真模型，如圖1所示，基于該仿真模型得出永磁伺服電機的電壓和電流波形，并利用傅里葉級數變換方法對該電壓和電流波形進行諧波分析，如圖2、圖3所示，由諧波分析結果可知，PWM逆變器供電方式會在永磁電機繞組內引入大量高次諧波電流。

圖1 永磁伺服電機仿真模型

圖2 電壓波形及其諧波分析

3 PWM供電永磁電機定子鐵心損耗分析

利用有限元方法建立機器人用永磁電機的二維仿真分析模型，并將圖3電流波形作為輸入源加載至電機繞組，以此來分析由PWM逆變器供電引起永磁電機鐵心損耗增量。為了便于對比，分析了正弦波供電情況下永磁伺服電機的鐵心損耗，即在繞組中加載正弦電流。兩種情況的永磁電機鐵心磁密波形和損耗如圖4、圖5所示。

圖3 電流波形及其諧波分析

圖4 兩種供電情況下定子鐵心磁密波形對比

圖5 兩種供電情況下定子鐵心損耗對比

由分析結果可以看出，PWM逆變器供電相比于傳統正弦波供電，電機定子鐵心磁密波形諧波含量大幅增加，鐵心內部產生大量小磁滯回線成分，由此引起樣機定子鐵心損耗由16.1W增加至24.4W，損耗增量百分比為51.6%。

本文搭建了機器人用永磁伺服電機的仿真模型，分析了永磁電機在PWM逆變器供電情況下的電流波形，研究了PWM供電情況下永磁電機的定子鐵心磁密波形和鐵心損耗，結果顯示PWM供電會在繞組內引入高次諧波，該高次諧波會引起大量小磁滯回線成分，導致鐵心損耗大幅增加。