永磁電機(jī)溫升特性因子研究

高明世 吳文賢 肖勝宇

（珠海格力電器股份有限公司 珠海 519070）

引言

溫升對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性的影響是一直存在的，也是電機(jī)設(shè)計(jì)中必須要考慮的環(huán)節(jié)[1]。只是在實(shí)際仿真環(huán)節(jié)，Ansoft軟件平臺(tái)Maxwell 2D、3D設(shè)計(jì)時(shí)，較難全面高效的講溫升影響結(jié)合進(jìn)去。對(duì)電阻的影響可能比較容易，對(duì)鼠籠、磁石的影響是較難直接融入設(shè)計(jì)的[2]。

溫升對(duì)于永磁電機(jī)，影響較大的是繞組的電阻、磁石的剩磁矯頑力；特性影響轉(zhuǎn)矩/電流、銅損、過(guò)載能力、恒功率上限值，溫升上限值對(duì)應(yīng)的電機(jī)安全使用功率上限[3,4]。九系鐵氧體磁石溫度特性值見(jiàn)表1。

表1 九系鐵氧體磁石溫度特性值

本文研究電機(jī)運(yùn)行期間溫度40 ～ 100 ℃不等，針對(duì)變頻電機(jī)其會(huì)同時(shí)對(duì)應(yīng)工況（負(fù)載）和轉(zhuǎn)速。本文旨在從仿真和實(shí)測(cè)的角度來(lái)探究溫升對(duì)電機(jī)性能、特性的影響，尤其是涉及工作點(diǎn)設(shè)計(jì)和匹配的問(wèn)題探討。從而弄清楚溫升對(duì)永磁電機(jī)設(shè)計(jì)的影響。

1 實(shí)測(cè)及分析

內(nèi)置電機(jī)在匹配負(fù)載測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電機(jī)測(cè)功臺(tái)測(cè)試電流與負(fù)載測(cè)試電流偏離較大。

表2數(shù)據(jù)顯示，內(nèi)置式電機(jī)匹配時(shí)，電流差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表貼式，從磁石的特性上來(lái)看，兩者對(duì)應(yīng)工作溫度的磁特性下降應(yīng)該是相當(dāng)?shù)模源攀墓ぷ鼽c(diǎn)應(yīng)該是比較吻合才對(duì)。而數(shù)據(jù)上顯示截然不同。我們需要從仿真的角度和試驗(yàn)的角度多方面來(lái)探究。

表2 測(cè)功機(jī)與負(fù)載測(cè)試電流差異數(shù)據(jù)

2 理論及仿真模擬分析

1）首先針對(duì)磁石的溫度特性進(jìn)行仿真，并將銅損的影響考慮進(jìn)來(lái)，修正電機(jī)性能仿真結(jié)果如圖1。

圖1 電機(jī)不同溫度時(shí)電機(jī)理想能效

①溫升導(dǎo)致變化在于重載銅損顯著增加，電機(jī)性能下降，繞組溫升會(huì)惡化；

②溫升導(dǎo)致磁石剩磁下降，磁鏈降低，轉(zhuǎn)矩/電流下降，鐵損也降低，最佳性能點(diǎn)向轉(zhuǎn)矩低移動(dòng)，電機(jī)的承載能力下降；

③溫升小影響較小，如果溫升大負(fù)載跨度大，會(huì)產(chǎn)生較大影響。如果是鋁線電機(jī)的話，溫升對(duì)性能的影響就會(huì)明顯加大。

2）分析內(nèi)置式永磁電機(jī)溫升仿真和不考慮溫升仿真差異，整合數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 不同溫度銅負(fù)載性能差異對(duì)比仿真結(jié)果

仿真數(shù)據(jù)反映，切向式電機(jī)在溫升50 ℃以內(nèi)，對(duì)匹配應(yīng)用額定點(diǎn)性能影響在（+ 0.3 ～ - 0.2）%之間，綜合來(lái)看溫升并未像該工作開(kāi)展之初的理解：“溫升會(huì)導(dǎo)致電機(jī)性能下降”的結(jié)論，合理的設(shè)計(jì)應(yīng)用，溫升可以有利于綜合應(yīng)用提效。

分析特性，溫升導(dǎo)致的磁特性下降，導(dǎo)致的最佳工作點(diǎn)移動(dòng)與壓縮機(jī)應(yīng)用工況負(fù)荷變化是較為一致的，故出現(xiàn)了性能提升的情況，當(dāng)溫升繼續(xù)上升，性能最佳點(diǎn)移動(dòng)超過(guò)使用點(diǎn)，就不利于使用。

3）仿真顯示，隨溫升電流的上升率，其與磁鏈下降率、反電勢(shì)下降率是較為直接關(guān)聯(lián)的。表一顯示，磁石的工作點(diǎn)表征磁密線性度是較高的，電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中漏磁也較為穩(wěn)定，故仿真結(jié)果中轉(zhuǎn)矩輸出、運(yùn)行電流、磁鏈、磁石溫度特性，對(duì)應(yīng)的都是很吻合，有利于我們理清溫度對(duì)電機(jī)性能、特性的影響，也較為容易實(shí)現(xiàn)特性校正和仿真近似預(yù)估。這里的校正是指不更換對(duì)應(yīng)溫度磁性材料參數(shù)仿真的情況下，針對(duì)應(yīng)用點(diǎn)進(jìn)行性能、特性偏離的預(yù)估校正。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)測(cè)內(nèi)置式、表貼式電機(jī)方案在75 ℃時(shí)磁鏈下降率為9.5 %、7.1 %。但實(shí)測(cè)性能的影響卻有較大的差異。

測(cè)試是采用保溫箱和加熱風(fēng)筒的方式，并采用溫度巡檢儀檢測(cè)繞組溫度，實(shí)際磁鏈在穩(wěn)定后停機(jī)測(cè)試磁鏈，與目標(biāo)值基本吻合，可能存在一定的偏離。內(nèi)置式永磁電機(jī)不同溫升性能見(jiàn)圖2。

表4 同轉(zhuǎn)矩下不同溫度時(shí)電流增長(zhǎng)率磁鏈下降率

圖2 內(nèi)置式永磁電機(jī)不同溫升性能

單純從性能曲線來(lái)看，溫度升高，電機(jī)性能是上升的，且較多，重載時(shí)性能還是常溫高，這與仿真是吻合的。這組測(cè)試數(shù)據(jù)中，不妥的地方是常溫測(cè)試時(shí)，工裝為冷態(tài)，工裝損耗可能偏大，導(dǎo)致分析較為困難。后文中表貼式電機(jī)測(cè)試時(shí)考慮到這個(gè)環(huán)節(jié)，同比數(shù)據(jù)更可信。切向式電機(jī)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)一步分析電流變化率和磁鏈變化率。內(nèi)置式電機(jī)不同溫度下電流上升率

電流上升率要小于仿真值，按1 620 rpm數(shù)據(jù)分析，下降偏離- 12.5 %、- 12.3 %。因電流受驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定性、負(fù)載一致性影響較大，反而反電勢(shì)、驅(qū)動(dòng)電壓能夠更反映實(shí)際情況。電壓下降率與仿真更為吻合。后續(xù)研究溫度工作建議可測(cè)試停機(jī)反電勢(shì)來(lái)評(píng)估空載磁鏈下降真實(shí)值，準(zhǔn)確性更高。表貼式永磁電機(jī)不同溫升性能見(jiàn)圖3。

表5 內(nèi)置式電機(jī)不同溫度下電流上升率

該電機(jī)測(cè)試時(shí)，常溫時(shí)，是后測(cè)試，工裝還保持較高溫度，盡量保證工裝損耗的一致，本次測(cè)試結(jié)果常溫與加熱的結(jié)果與仿真趨勢(shì)較為吻合。表貼式電機(jī)不同溫度下電流上升率見(jiàn)表6。

表6 表貼式電機(jī)不同溫度下電流上升率

75 ℃最佳性能移動(dòng)到輕轉(zhuǎn)矩區(qū)間，與仿真趨勢(shì)吻合。

4 總結(jié)

1） 探究了切向式電機(jī)，應(yīng)用特定負(fù)載時(shí)溫升的影響，針對(duì)溫升較低的機(jī)型可以忽略，銅線電機(jī)影響在0.5 %以內(nèi)，針對(duì)溫度高、溫差大的機(jī)型需重點(diǎn)考量。

2） 電流與磁石工作點(diǎn)、每一臺(tái)使用電機(jī)的磁鏈值都息息相關(guān)，同方案設(shè)計(jì)電機(jī)磁鏈波動(dòng)5 %以內(nèi)都屬于正常，不能單純的從電流增加幅度、磁鏈、反電勢(shì)變化率來(lái)簡(jiǎn)單粗暴的分析匹配效果。建議用同一個(gè)定子和轉(zhuǎn)子來(lái)研究，避免波動(dòng)誤差，影響分析結(jié)論。