PWM逆变器供电下机器人用永磁电机定子铁心损耗分析

安川电机（沈阳）有限公司 李 敏

沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心 朱龙飞

机器人用永磁伺服电机通常采用PWM逆变器供电，逆变器的斩波效应会在电机绕组内引入与载波频率相关的高次谐波电流成分，这些高次谐波电流会在定子铁心内引起小磁滞回线，从而影响电机的铁心损耗。本文搭建机器人用永磁伺服电机的控制模型，分析PWM供电情况下的高次谐波电流成分，并对PWM供电情况下的电机定子铁心磁密波形和损耗进行分析，探索PWM逆变器供电对永磁伺服电机定子铁心损耗的影响规律。

1 永磁电机铁心损耗分析模型

工程上较为常用的计算永磁电机铁心损耗的方法为基于Bertotti提出的三项式损耗分立模型，如式(1)所示，损耗模型中各个未知参数可利用厂家提供的铁心损耗密度数据经非线性拟合得出。

式中：pFe为铁心损耗密度，f为基波频率，Bm磁密幅值，kh、α为磁滞损耗系数，kc为涡流损耗系数，ke为异常损耗系数。

利用该方法计算铁心损耗的优势在于可采用硅钢片厂家提供的低频损耗曲线来预估高频时此种硅钢片的损耗。该方法适用于计算正弦交变情况下铁心的损耗，当采用逆变器供电时，高次电流谐波会在定子铁心内引起小磁滞回线现象，定子铁心损耗也将随之发生改变。

2 PWM供电永磁电机绕组电流波形

利用Simulink模块搭建机器人用三相永磁伺服电机矢量控制仿真模型，如图1所示，基于该仿真模型得出永磁伺服电机的电压和电流波形，并利用傅里叶级数变换方法对该电压和电流波形进行谐波分析，如图2、图3所示，由谐波分析结果可知，PWM逆变器供电方式会在永磁电机绕组内引入大量高次谐波电流。

图1 永磁伺服电机仿真模型

图2 电压波形及其谐波分析

3 PWM供电永磁电机定子铁心损耗分析

利用有限元方法建立机器人用永磁电机的二维仿真分析模型，并将图3电流波形作为输入源加载至电机绕组，以此来分析由PWM逆变器供电引起永磁电机铁心损耗增量。为了便于对比，分析了正弦波供电情况下永磁伺服电机的铁心损耗，即在绕组中加载正弦电流。两种情况的永磁电机铁心磁密波形和损耗如图4、图5所示。

图3 电流波形及其谐波分析

图4 两种供电情况下定子铁心磁密波形对比

图5 两种供电情况下定子铁心损耗对比

由分析结果可以看出，PWM逆变器供电相比于传统正弦波供电，电机定子铁心磁密波形谐波含量大幅增加，铁心内部产生大量小磁滞回线成分，由此引起样机定子铁心损耗由16.1W增加至24.4W，损耗增量百分比为51.6%。

本文搭建了机器人用永磁伺服电机的仿真模型，分析了永磁电机在PWM逆变器供电情况下的电流波形，研究了PWM供电情况下永磁电机的定子铁心磁密波形和铁心损耗，结果显示PWM供电会在绕组内引入高次谐波，该高次谐波会引起大量小磁滞回线成分，导致铁心损耗大幅增加。