电动飞机永磁同步电机的涡流损耗分布规律及相应的影响研究

刘岩松 滕飞

摘 要：为获得电动飞机永磁同步电机的涡流损耗分布规律和影响情况，提出电动飞机永磁同步电机的涡流损耗分布规律及相应的影响研究。采用有限元软件对涡流损耗进行分析，得出径向每层永磁体涡流损耗的数值大小，绘制周向分布规律图;根据其分布规律，从温度、磁场等方面变化分析涡流损耗分布的影响，完成提出的研究。得到准确的涡流损耗分布规律以及相应的影响。

关键词：永磁体;同步电机;涡流损耗;电动飞机

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.02.184

0 引言

电动飞机永磁同步电机是利用外部旋转磁场吸引内部恒定磁场进行转动，同步电机具有运转效率高、功率密度大、能控性强等优势，广泛应用于高性能驱动领域。电动飞机永磁同步电机分为三种，分别为双凸极永磁电机（Doubly-Salient Permanent Magnet Motor）、磁通反向电机（Flux Reversal Machine）、通切换型永磁电机（Flux-Switching Permanent Magnet Machine）[1]。每种结构的原理因为永磁体的位置不同，具体原理会有所差别，但原理共性是相同的。节能减排是全球各行业的共同目标，对于我们而言，更加高效的永磁同步电机就是不断追求的目标，提高效率就是减小损耗，所以涡流损耗分布规律及影响成为了亟待研究的问题，为获得其涡流损耗分布规律，以及相应的影响，提出电动飞机永磁同步电机的涡流损耗分布规律及相应的影响研究。

1 同步电机的涡流损耗分布规律

电动飞机永磁同步电机的损耗主要体现在机械损耗、电气损耗两个方面[2]。机械损耗包括是轴承损耗、有刷电机换向器损耗、转子的动平衡损耗等。电气损耗包括铜线损耗和定子损耗。电流引起铁芯内部温升增加，产生“铜耗”形成铜线损耗[3]。定子损耗是由于涡流的产生，引起涡流损耗的同时，产生定子衰减，即为定子损耗。

为研究同步电机的涡流损耗分布规律，基于ANSYS Maxwell軟件进行2D电磁场时步有限元计算，2D永磁体涡流损耗计算模型是基于涡流沿电机轴向均匀分布这个假设来计算的。本文首先在ANSYS Maxwell平台上建立了一台20kW电动飞机永磁同步电机的2D模型，在基本几何模型的基础上，对模型进行设置，其中为了计算永磁体涡流损耗，对永磁体施加eddy loss（涡流）效应。

经过2D有限元的计算，得到径向每层永磁体涡流损耗的数值大小如表1所示。

同时进行永磁体涡流损耗周向分布计算，得出周向每段永磁体内的永磁体涡流损耗的大小，将此分布规律绘制成图，如图1所示。

2 涡流分布对同步电机的影响

根据永磁同步电机的涡流损耗分布规律分析，当同步电机中的涡流遇到障碍物时，在障碍物的后方形成若干漩涡。同比新月型沙丘的形成，就是风遇到沙丘的阻碍后，在沙丘两翼的后方形成漩涡。根据能量公式，我们轻易地知道这部分能量损失，如公式1所示：

（1）

式中，Q代表损失能量，I代表电流，R代表电阻，t代表时间。

显然，它的大小取决于铁芯的材料，即磁阻有多少，电流频率（转速）以及磁通密度（磁通）的大小[4]。

当气隙磁场谐波进入铁芯形成“涡流损耗”时，或者当气隙磁场谐波由于磁阻变化引起“磁滞损耗”时，都叫作“高频杂散损耗”。除此之外，电流变化的时候形成变化的磁场也会产生影响。

当永磁同步电机里的磁场变的很强时，磁滞和涡流就会达到活跃状态;磁场变得很弱时，铁芯的“剩磁”开始起作用，这部分“剩磁”产生的磁滞损耗，称之为“剩磁损耗”，剩磁损耗主要寄生于容易被磁化的材料铁氧体中。

同步电机有一个额定工作转速，高于此转速需要超电压或者是弱磁驱动，异步电机弱磁很容易，只要减小相应的励磁电流就可以了，永磁同步电机如果需要弱磁，需要增加一个相应的去励磁的电流。电机表面所采用的一般是不易被磁化的铁芯材料，着重研究不同极槽数、转子磁路结构对永磁体涡流损耗的影响，提出如何进行涡流损耗减小的措施，对如何提高电机性能打下坚实的基础。

3 结束语

本文提出了电动飞机永磁同步电机的涡流损耗分布规律及相应的影响研究，基于有限元软件对涡流损耗进行分析，得出涡流损耗的数值大小与分布规律图;并从高温、磁场变化等方面分析涡流损耗分布的影响。实现了本文的研究，希望本文的研究能够为电动飞机永磁同步电机的涡流损耗分布规律及相应的影响提供理论依据。

参考文献：

[1]张德金，熊万里，吕浪等.高速大功率永磁同步电机转子涡流损耗分析[J].计算机仿真，2017（01）：236-240.

[2]刘福贵，张建宇，赵志刚等.盘式永磁同步电机永磁体涡流损耗研究[J].电机与控制应用，2017，44（07）：13-19.

[3]黄嵩，曾冲，杨永明等.端部结构参数对1550MW核能发电机漏磁及涡流损耗的影响[J].中国电机工程学报，2016（s1）：200-205.

[4]殷继伟，戈宝军，陶大军等.大型半速汽轮发电机非全相工况下转子涡流损耗的研究[J].中国电机工程学报，2016，36（20）：5647-5656.