扁线电机考虑谐波损耗的效率图分析
前言 
本文介绍了扁线电机当考虑载波谐波时的损耗和效率分析，同时与理想的正弦波电流并且不考虑AC铜损的情况进行了对比分析，从中我们能够了解到计算类似新能源汽车扁线电机的性能时考虑载波谐波和AC铜损的必要性。本文介绍分析流程图时电流矢量控制器与电动机/逆变器执行弱耦合时使用了User subroutine，实际上JMAG V18.0之后，可以支持直接在电路中搭建整个控制电路，因此分析方法更加简单方便。
1、背景
随着电机效率的提高，要求有高精度的损耗计算，这将对电磁场分析提出了重要挑战。永磁同步电动机和感应电动机通常由变频器驱动，如用于变速运行的PWM变频器。众所周知，逆变器在电机中产生含载波谐波的电流，从而增加铁损。近年来，为了提高槽满率、介电强度等，电机使用具有矩形线的发夹线圈的情况越来越多。我们知道当电机使用矩形导线并且高速旋转时，电流在导线中将呈现不均匀分布，从而增加铜损耗（交流铜损耗）。为了准确计算旋转电机的变频调速的运行效率，必须考虑载波谐波和交流铜损耗。本文提出了一种利用电磁场/电路/控制耦合分析相结合计算效率的方法，该方法考虑了载波谐波和交流铜损耗的影响。
2、建议方法
图1显示了从材料测量到执行分析的流程。该过程包括计算简单的效率图、确定工况点和执行耦合分析。
图1考虑载波谐波和交流铜损的影响的效率计算流程
注：这里假设提供最高效率的电流矢量不会由于载波谐波和AC铜损而改变。
首先，为了确定用于计算效率的工况点，使用工厂模型（通过JMAG-RT创建）计算效率图。在本案例研究中，确定效率时不考虑逆变器中的载波谐波和AC铜损。接下来，选择将用于计算考虑载波谐波和AC铜损的效率的若干工况点。这些工况点是根据目标设备中最常用、最重要的操作点等原则来选择。通过使用最后选择的工况点的电流矢量作为命令值来执行耦合分析，从而计算效率。这样计算出的损耗考虑了铜损（包括DC铜损和AC铜损），电磁钢板中的铁损，磁铁产生的涡流损耗和机械损耗。
3、分析目标
待分析的永磁同步电动机的有限元模型如图2所示，电机和逆变器的规格参数如表1所示。
图2分析目标（永磁同步电动机）
表1 分析目标规格参数
4、效率图计算和工况点选择
图3显示了使用工厂模型计算（JMAG-RT）的效率图。使用此效率图选择四个操作点。
·A：低速、大扭矩（1200rpm，260 N·m）
·B：低速、低扭矩（1200rpm，40 N·m）
·C：中速、大扭矩（4500rpm，110 N·m）
·D：高速、低扭矩（9000rpm，25 N·m）
图3效率图和选定的工况点
5、耦合分析
本文使用的耦合分析框架如图4所示。使用强耦合进行带控制电路的电机磁场分析（FEA）。这将能够充分考虑电动机和逆变器之间的相互影响。电流矢量控制器与电动机/逆变器执行弱耦合。
图5的(a)为通过耦合分析考虑了逆变器谐波和交流铜损的效率图，(b)图为(a)图和图3的效率差。
图4耦合分析的框架图
图5 考虑逆变器谐波和交流铜损的效率图
6、损耗和效率分析
在图6中，当电流为理想正弦波且仅存在直流铜损耗时，将每个工况点获得的损耗和效率与考虑载波谐波和交流铜损情况的损耗和效率进行比较。在低转矩工况点B，铜损比率较低，铁损比率较高，因此载波谐波的存在或不存在对损耗和效率的影响相对较强，从细分来看，铁芯的铁损增加到了1.9倍。对于高速工况点D，交流铜损耗要大得多，从图中可以得到总铜损耗是直流铜损耗的4倍，因此当考虑交流铜损耗时，效率会显著降低。图7显示了由载波谐波引起的铁芯损耗与总铁损之比（%）。由于工作点A和B为低速运行，因此基波铁耗小，谐波铁耗大。
图6损耗分析和效率比较
在低速和低扭矩工况点B，对铁损的影响最大。工况点A与工况点B一样，由于载波谐波的存在而使得铁损显著增加，但工况点A由于直流铜损耗占主导地位，因此它对总损耗的影响很小。对于高速低扭矩工况点D，载波谐波对铁损的影响很小，而对AC铜损的影响非常大。
图7 载波谐波的铁损对总铁损的百分比
从上图可以看出，考虑载波谐波对于铁损的计算是必要的，因为在低速时载波谐波引起的铁损占总铁损的百分比很高。
7、计算时间
表2显示了此分析中使用的电脑信息、模型信息、计算所需的分析步数和计算时间。此外，为了计算图5所示的效率图（105个点），使用24核进行计算，大约需要18小时。
表2 使用的PC环境、模型信息、分析步数、时间
注：由于一个载波周期的分析步数是固定的，因此对于低速，总的分析步数较大
8、结论
本文通过磁场/电路/控制耦合分析，得到的损耗考虑了逆变器载波谐波和扁线电机的交流铜损耗。结果表明，低速低扭矩下的载波谐波和高速下的AC铜损的影响很大，从而导致了电机效率的降低。
