深海推進(jìn)器用永磁無刷直流電機(jī)損耗的計(jì)算

1、B國科技論袁在線http:"www cn深海推進(jìn)器用永磁無刷直流電機(jī)損耗的計(jì)劉如意，原慶兵(哈爾濱工業(yè)大學(xué)電乞工程及自動化學(xué)院，哈爾濱150001 )摘要：電機(jī)運(yùn)行時要產(chǎn)生損耗，損耗將轉(zhuǎn)變成熱能，從而使電機(jī)各部分的溫度升高，影響電 機(jī)的性能和使用壽軌 由于深海推進(jìn)器用永磁無刷直流電機(jī)的特殊使用環(huán)境，對其損耗進(jìn)行 準(zhǔn)確的計(jì)算，對其溫度的計(jì)算和可靠性的估計(jì)是十分重要。此電機(jī)的損耗主要有銅損、鐵芯 損耗、油摩損耗和渦流損耗，其他形式的損耗所占比例較小。為此，本文釆用平均電流法計(jì) 算了電機(jī)的銅耗；利用有限元軟件計(jì)算了電機(jī)的鐵芯損耗；簡化了渦流損耗的模型，利用解 析法進(jìn)行了

2、計(jì)算；利用有限元軟件得到電機(jī)的渦流損耗密度，對渦流損耗密度進(jìn)行積分計(jì)算， 得到了電機(jī)的渦流損耗，并做出了實(shí)臉臉證.本文對深海推進(jìn)器用永磁無刷直流電機(jī)的主要 損耗進(jìn)行了計(jì)算和分析，對電機(jī)的設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義.關(guān)鍵詞：永磁無劇直流電機(jī)；銅損；鐵芯損耗；油摩損耗；渦流損耗中圖分類號：TM351Research on Loss calculation of Submersible Motor Used forElectromagnetic Propeller in Deep-seaLiu Ruyi, Yuan Quigbing(School ofElecuical Engmeenng and Aut

3、omation, Harbm Institute of Teclinology.Harbin 150001)Abstract: Motor run to generate losses, losses will be converted into heat energy. So that different parts of motor temperature, it will work on performance and life of motor Because of submersible Motor Used for Electromagnetic Propeller in Deep

4、-sea worked under the lugh-pressure environment, it is very important to calculate its losses, so that the temperature and reliability of motor can be well known. The losses of the motor include copper loss, core loss、oil friction loss and eddy loss , and other forms of losses are too small to calcu

5、late. Therefore, this paper used the average current method to calculate the copper loss of the motor; using finite element software to calculate the motor's core losses; calculated eddy losse using the simplified analytic method; using finite element to get eddy loss density of the motor, and c

6、alculate eddy loss bassed on it. Finally, the paper give experimental results to confirm the truth of calculation methods. In this paper, loss of Submersible Motor Used for Electromagnetic Propeller in Deep-sea were calculated and analyzed, it has an important significance on the design of the motor

7、.Keywords: Brushless DC Motor; copper loss; core loss; oil 丘iction loss; eddy loss0引言與傳統(tǒng)的電機(jī)相比，水隴無刷苴流電機(jī)采用水瞪體勵磁，所以水磁無刷苴流電機(jī)的損耗 一般町以分為定子鐵耗、定子銅耗、轉(zhuǎn)子渦流損耗、朵散損耗和機(jī)械損耗兒個部分組成。 深海推進(jìn)器用永磁無刷直流電機(jī)應(yīng)用J- 7000m的深海領(lǐng)域，為了實(shí)現(xiàn)電機(jī)內(nèi)的壓力補(bǔ)償， 采用了充汕式的電機(jī)結(jié)構(gòu)。這就造成了本文的水磁無刷直流電機(jī)的損耗和腔通的永磁無刷直作者簡介:劉如總(1986-).女，碩士研究生，主要研究方向：永磁電機(jī)體化系統(tǒng).E-mail: yuan

8、qmgbmg 流電機(jī)勺所不同：一方面由采用充汕式結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生了油摩損耗叫 另一方面由尸匸作在深 海環(huán)境，電機(jī)受到海水的壓力而產(chǎn)生形變，從而對電機(jī)的狹損仃較人的影響。本文主要對深海推進(jìn)器用永磁無刷直流電機(jī)的各種損耗進(jìn)行計(jì)算,研究了鐵芯損耗的計(jì) 算方法，在這里山丁實(shí)際的條件限制，沒仃研究壓力對鐵損的影響。還汁算分析了深海推進(jìn) 器用永磁無刷rt流電機(jī)的瓦他損耗：銅耗、油摩損耗、渦流損耗，為電機(jī)設(shè)計(jì)提供-定的參 考。1銅耗的計(jì)算根據(jù)焦耳榜次定律，水磁無刷直流電機(jī)的銅耗與電機(jī)繞組阻值和繞組內(nèi)的電流仃關(guān) ，其計(jì)算公式如下：mPcu = 2；R式中/i相繞組的電流；R相繞組的電阻值；永磁無刷直流電機(jī)的端電壓和

9、繞組電流)滿足如卜方程:U=i(t)R + e(t) + La -(2)dtK*l«： "/)為相反電勢，-為繞組漏電感，(/為管壓降，R為繞組相電阻。由永磁 無刷直流電機(jī)的茶本原理可以知道，«/)由磁場和繞組結(jié)構(gòu)決定町以看成是一個己知駅。繞 俎漏電感-般比較小，在對電機(jī)做粗略分析或電機(jī)的轉(zhuǎn)速較低時，繞組漏電感的影響可以忽 略不計(jì)。則上式的電流(/)可以近似求解為：R假設(shè)繞組電流的周期為7則繞組的電流町以表示為:卩山(4)由永磁無刷貢流電機(jī)的端電壓和繞組電流的關(guān)系可知，繞組電流的波形和相反電勢的密 切相關(guān)，近似為V頂波。在銅耗的計(jì)算中，一般計(jì)算繞組電流在一個周期內(nèi)

10、的平均電流對電機(jī)繞組相電阻的獲取也足準(zhǔn)確計(jì)篦銅耗的必要條件。在這里由r實(shí)驗(yàn)樣機(jī)已經(jīng)設(shè)計(jì) 完成，所以測取實(shí)際的阻值來計(jì)算永磁無刷直流電機(jī)的銅損。在電機(jī)實(shí)際的工作過程中，繞 組的溫度不是一成不變的，需要考慮溫度對電機(jī)繞組阻值的影響，這樣就考慮了溫度對電機(jī) 銅損的影響。卜式表示了電機(jī)繞組阻值隨溫度的變化關(guān)系：/?=/?+%() (5)式屮Oa試驗(yàn)開始時環(huán)境溫度；Rd 溫度為時的繞組電陰：R &溫度卜繞組電阻值；J溫度為&“時繞組的電阻溫度系數(shù)其中心按卜式計(jì)算：式屮p銅線電阻率；LaV 半匝線圈氏；N每相繞組串聯(lián)匝數(shù);N, 并繞根數(shù)：ci并聯(lián)支路數(shù)：d銅線宜徑2基于有限元仿真軟件的鐵芯

11、損耗的計(jì)算Ansoft Maxwell作為世界著名的商川低頻電磁場仃限尤軟件Z在乞個工程電磁領(lǐng)域 都得到了廣泛的應(yīng)用叫 在Ansofc MaxweU軟件屮，按照鐵耗產(chǎn)生機(jī)理的不同，將鐵耗分為 陋滯損耗、渦流損耗和附加損耗，建立分離鐵耗模型.進(jìn)行電機(jī)鐵耗的計(jì)算。其中對一些系 數(shù)做了一定的簡化計(jì)算，如下而的公式所示：PFf = 5 +式屮Kh磁滯損耗系數(shù)；K<渦流損耗系數(shù)；Keu附加損耗系數(shù)：h磁滯損耗計(jì)算參數(shù)在已冇的冇限元軟件，如Ansoft Maxwell軟件中的瞬態(tài)場屮可以計(jì)算電機(jī)的鐵耗，苴原 理是根據(jù)分離鐵耗模型，其屮，磁滯損耗計(jì)算指數(shù)久0律被認(rèn)為等于2。圖1為電機(jī)二維 電磁場冇限元

12、計(jì)算模熨。軟件內(nèi)部鐵耗計(jì)算依據(jù)公式(8)。幾嚴(yán)心您+ K J駕+心嚴(yán)昭圖1有限元仿貞模熨Fig.l FEM calculauon model圖2為電機(jī)在某一狀態(tài)卜的佚芯損耗曲線。在該方法中，鐵芯上各點(diǎn)鹼密波形均被看作 理想正弦波形，B,”取為理想正弦波的幅值，而H不考慮鐵芯材料的磁滯效應(yīng)。用上"ii的方 法計(jì)算了深海推進(jìn)器用永磁無刷宜流電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速卜的佚芯損耗.如圖3所示：3B國科技論文在線http:"www cnio%刪ewwaimiii圖2決顧E曲線Fig.2 Curve of the core loss圖3不同轉(zhuǎn)速M(fèi)KJ浹芯損耗曲線 Fig 3

13、Curve of iron loss in different rotating speeds#B國科技論文在線http:"www cn#B國科技論文在線http:"www cn3油摩損耗的計(jì)算深海推進(jìn)器用永磁無刷苴流電機(jī)采用充汕式的爪力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，在電機(jī)的'I隙內(nèi)充滿航空 液用油。由J：航空液壓油的粘度較人，在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時形成了較人的靡擦，產(chǎn)生了與普通電機(jī) 不同的機(jī)械損耗即汕摩損耗。汕摩損耗的產(chǎn)生機(jī)理比較復(fù)雜，屬電機(jī)和流體力學(xué)相交叉的學(xué)科內(nèi)容。在這里使用近 似解析法對深海推進(jìn)器用永磁無刷直流電機(jī)的油摩損耗進(jìn)行計(jì)算，將電機(jī)屮的油摩

14、損耗的計(jì) 算問題近似等效成在兩個光滑圓柱體Z間的粘性流體由丁 摩擦產(chǎn)生的損耗問題。轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)時，粘性流體與轉(zhuǎn)子間產(chǎn)生油滯粘靡損耗，油滯粘靡損耗的計(jì)算涉及到流 體動力學(xué)的理論.卜式為粘性流體運(yùn)動方程，即納維斯托克斯方程CU 4-空)66丿du +dv )dx2+dwaTdu r dp d / dt i d r z 臨訂抵(臨)+訂“(、6 , d6 .+ 2(/) + /(-dy dy dxr d z d d r z + 2 (/) + /( dz oz oxd du dw2d .+/A +(“dw”)(9)印-力生&一一 =JVJ7血-力dzoz ox3 ox+/( + )1- dz

15、dz dy3 dyddf2 d)+ IK +(/J/vw)dyoz dy 3 oz只仃少數(shù)流體力學(xué)問題仃確定解，同軸旋轉(zhuǎn)圓筒間的定常流動可求得納維斯托克斯方程組的精確解，同軸旋轉(zhuǎn)圓筒間的定常流動問題的邊界條件為：(10)f=r2;ur = O,uff = r2w2j流體作用在單位高度外圓筒內(nèi)壁上的摩擦力矩為:單位時間內(nèi)克服作用在單位高度I：內(nèi)外圓筒間摩擦力矩所消耗的機(jī)械能為:(12)只需耍令呎=0,即為電機(jī)內(nèi)部單位K度轉(zhuǎn)子油摩損耗:+ 絲進(jìn)(13) ri-r；電機(jī)內(nèi)部油靡損耗為：N = IV A/. + WrAfr = 4 刃I E * L (14)其屮T込足電機(jī)的轉(zhuǎn)了外徑和定了內(nèi)徑：“足電機(jī)

16、內(nèi)充汕的粘度：乙足電機(jī)電樞氏度: 是轉(zhuǎn)子角速度。通過|面的公式對以看出，影響電機(jī)油燦損耗的主耍因索有：汕的粘度 (靜止粘度系數(shù)，和材料、溫度、壓力冇關(guān))、轉(zhuǎn)子半徑、定子內(nèi)徑、氣隙長度、電機(jī)軸向 長度。由于電機(jī)的氣隙g很小，g = RRz<R9因此R： -R： =2叭.疋R：宏R公式(14) 就可以近似地寫成:(15)采用上面的公式計(jì)算的不同轉(zhuǎn)速卜的汕摩損耗如下圖所示，可以看出油摩損耗的大小基 本和轉(zhuǎn)速呈平方關(guān)系:I oi【rction os,000 - .CO8«* 9圖4不同轉(zhuǎn)速卜的油摩損耗曲線Fig 4 Curve of oil friction loss in diffe

17、rent rotating speeds從上面的分析町知，汕摩損耗的人小和電機(jī)的加棧情況無關(guān)，也不受電機(jī)驅(qū)動方式的影 響。4渦流損耗的計(jì)算由r永做無刷自流電機(jī)的轉(zhuǎn)于滋場和定子滋場同步旋轉(zhuǎn)，所以常常忽略轉(zhuǎn)子中的渦流損 耗。轉(zhuǎn)子渦流損耗是由定子通電電流引起的空間諧波和時間諧波、以及由定子廿槽引起的空 6BEI科技論袁在線http:"www cn間諧波所引起的，其產(chǎn)生的部位一般是永磁體、轉(zhuǎn)子的軌部和水磁體磁鋼保護(hù)套。由r水磁體材料的電導(dǎo)率相對較高，在磁場發(fā)生變化時，就會感應(yīng)出渦流進(jìn)而引起渦流 損耗?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的飲詼硼永磁體材料的溫度系數(shù)高，英性能容易受到溫度的影響，嚴(yán)

18、重 時及至?xí)鹌洳活孀反?，降低永磁無刷直流電機(jī)的使用壽命。因此 對渦流損耗進(jìn)行準(zhǔn) 確的計(jì)算顯得十分重耍。木文在求解永磁無刷直流電機(jī)永磁體內(nèi)渦流損耗時引入以卜假設(shè)：（1）永磁體均勻并 且并向同性：（2）永磁體磁導(dǎo)率為常數(shù)：（3）永磁體電導(dǎo)率為常數(shù)；（4）乞次電流諧波 在永磁體中形成的渦流損耗為線性舎加，不考慮電流人小變化引起的磁路飽和。在一個電周 期內(nèi)應(yīng)用時步冇限元法，每隔3607"電角度進(jìn)行一次計(jì)算，可得每一時步內(nèi)永磁體的渦流 密度為：< =9（牛判（16）-個周期內(nèi)永磁體的平均渦流損耗密度為：J = -Y*式中N<（17）時步仃限元求解步數(shù):永磁體內(nèi)的渦流損耗密度為

19、:1八，、代=_廣（18）CT永磁體內(nèi)的渦流損耗為:代加（19）式中V 永磁體體積。根據(jù)上而的公式計(jì)算了深海推進(jìn)器用永磁無刷直流電機(jī)空載:狀態(tài)運(yùn)行丁額定轉(zhuǎn)速 5850rpm的渦流損耗。渦流損耗主耍是由丁磁場的空間諧波和時間諧波引起的，圖5給出了 電機(jī)的渦流損耗密度分布圖：圖5渦流損耗密度分布圖Fig.5 Distribution of eddy less density計(jì)算了深海推進(jìn)器用永磁無刷直流電機(jī)空載狀態(tài)不同轉(zhuǎn)速卜的渦流損耗，如圖6所示渦 流損耗隨著轉(zhuǎn)速的增加而増加。圖6不同轉(zhuǎn)速下渦流損耗曲線Fig 6 Curve of eddy loss in different rotating s

20、peeds5實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證由r深海推進(jìn)器用永磁無刷ri流電機(jī)的特殊性，苴損耗實(shí)驗(yàn)和普通電機(jī)冇所不同。從高 樂情況卜電機(jī)的空載和負(fù)栽實(shí)驗(yàn)測得電機(jī)的洪芯損耗、銅損、總的損耗.從電機(jī)的充油和不 充油實(shí)驗(yàn)中得到電機(jī)的油摩損耗。其中測得的總的損耗中包含控制器損耗,在這里只能根據(jù) 總的損耗減去各個部分的損耗，得到渦流損耗的估計(jì)值，由-電機(jī)實(shí)際系統(tǒng)中有減速器，所 以渦流損耗很難得到準(zhǔn)確的分離。在這里給出了計(jì)算得出的銅損、鐵芯損耗和渦流損耗，驗(yàn) 證了上面計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。衣1冬損耗的計(jì)算值沖實(shí)測值Tab. 1 losses by the calculation and expenmenMtion計(jì)算值實(shí)測值銅損85.195.8鐵芯損耗103.4210油摩損耗250 66250從I訕i的表中可以看出，銅損和油摩損耗的計(jì)算值和實(shí)測値相差不人，但是鐵芯損耗的計(jì)算 值和實(shí)測值相差很多，近乎是兩倍的關(guān)系。這是由實(shí)驗(yàn)在高床環(huán)境卜進(jìn)行，斥力使電機(jī)鐵 芯硅鋼片產(chǎn)生了形變，改變了電機(jī)鐵芯材料的性能曲線，進(jìn)而使電機(jī)的鐵芯損耗增川I。但是 本文的計(jì)算對J湘關(guān)的高壓情況卜的鐵芯損耗的計(jì)算勺一定的參考意義。6結(jié)論本文對深海推進(jìn)器用永磁無刷