永磁電機溫升特性因子研究

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

溫升對電機運行特性的影響是一直存在的，也是電機設計中必須要考慮的環節[1]。只是在實際仿真環節，Ansoft軟件平臺Maxwell 2D、3D設計時，較難全面高效的講溫升影響結合進去。對電阻的影響可能比較容易，對鼠籠、磁石的影響是較難直接融入設計的[2]。

溫升對于永磁電機，影響較大的是繞組的電阻、磁石的剩磁矯頑力；特性影響轉矩/電流、銅損、過載能力、恒功率上限值，溫升上限值對應的電機安全使用功率上限[3,4]。九系鐵氧體磁石溫度特性值見表1。

表1 九系鐵氧體磁石溫度特性值

本文研究電機運行期間溫度40 ～ 100 ℃不等，針對變頻電機其會同時對應工況（負載）和轉速。本文旨在從仿真和實測的角度來探究溫升對電機性能、特性的影響，尤其是涉及工作點設計和匹配的問題探討。從而弄清楚溫升對永磁電機設計的影響。

1 實測及分析

內置電機在匹配負載測試，發現電機測功臺測試電流與負載測試電流偏離較大。

表2數據顯示，內置式電機匹配時，電流差異遠遠大于表貼式，從磁石的特性上來看，兩者對應工作溫度的磁特性下降應該是相當的，所以磁石的工作點應該是比較吻合才對。而數據上顯示截然不同。我們需要從仿真的角度和試驗的角度多方面來探究。

表2 測功機與負載測試電流差異數據

2 理論及仿真模擬分析

1）首先針對磁石的溫度特性進行仿真，并將銅損的影響考慮進來，修正電機性能仿真結果如圖1。

圖1 電機不同溫度時電機理想能效

①溫升導致變化在于重載銅損顯著增加，電機性能下降，繞組溫升會惡化；

②溫升導致磁石剩磁下降，磁鏈降低，轉矩/電流下降，鐵損也降低，最佳性能點向轉矩低移動，電機的承載能力下降；

③溫升小影響較小，如果溫升大負載跨度大，會產生較大影響。如果是鋁線電機的話，溫升對性能的影響就會明顯加大。

2）分析內置式永磁電機溫升仿真和不考慮溫升仿真差異，整合數據見表3。

表3 不同溫度銅負載性能差異對比仿真結果

仿真數據反映，切向式電機在溫升50 ℃以內，對匹配應用額定點性能影響在（+ 0.3 ～ - 0.2）%之間，綜合來看溫升并未像該工作開展之初的理解：“溫升會導致電機性能下降”的結論，合理的設計應用，溫升可以有利于綜合應用提效。

分析特性，溫升導致的磁特性下降，導致的最佳工作點移動與壓縮機應用工況負荷變化是較為一致的，故出現了性能提升的情況，當溫升繼續上升，性能最佳點移動超過使用點，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、反電勢下降率是較為直接關聯的。表一顯示，磁石的工作點表征磁密線性度是較高的，電機運行過程中漏磁也較為穩定，故仿真結果中轉矩輸出、運行電流、磁鏈、磁石溫度特性，對應的都是很吻合，有利于我們理清溫度對電機性能、特性的影響，也較為容易實現特性校正和仿真近似預估。這里的校正是指不更換對應溫度磁性材料參數仿真的情況下，針對應用點進行性能、特性偏離的預估校正。

3 試驗結果及分析

實測內置式、表貼式電機方案在75 ℃時磁鏈下降率為9.5 %、7.1 %。但實測性能的影響卻有較大的差異。

測試是采用保溫箱和加熱風筒的方式，并采用溫度巡檢儀檢測繞組溫度，實際磁鏈在穩定后停機測試磁鏈，與目標值基本吻合，可能存在一定的偏離。內置式永磁電機不同溫升性能見圖2。

表4 同轉矩下不同溫度時電流增長率磁鏈下降率

圖2 內置式永磁電機不同溫升性能

單純從性能曲線來看，溫度升高，電機性能是上升的，且較多，重載時性能還是常溫高，這與仿真是吻合的。這組測試數據中，不妥的地方是常溫測試時，工裝為冷態，工裝損耗可能偏大，導致分析較為困難。后文中表貼式電機測試時考慮到這個環節，同比數據更可信。切向式電機測試數據進一步分析電流變化率和磁鏈變化率。內置式電機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數據分析，下降偏離- 12.5 %、- 12.3 %。因電流受驅動穩定性、負載一致性影響較大，反而反電勢、驅動電壓能夠更反映實際情況。電壓下降率與仿真更為吻合。后續研究溫度工作建議可測試停機反電勢來評估空載磁鏈下降真實值，準確性更高。表貼式永磁電機不同溫升性能見圖3。

表5 內置式電機不同溫度下電流上升率

該電機測試時，常溫時，是后測試，工裝還保持較高溫度，盡量保證工裝損耗的一致，本次測試結果常溫與加熱的結果與仿真趨勢較為吻合。表貼式電機不同溫度下電流上升率見表6。

表6 表貼式電機不同溫度下電流上升率

75 ℃最佳性能移動到輕轉矩區間，與仿真趨勢吻合。

4 總結

1） 探究了切向式電機，應用特定負載時溫升的影響，針對溫升較低的機型可以忽略，銅線電機影響在0.5 %以內，針對溫度高、溫差大的機型需重點考量。

2） 電流與磁石工作點、每一臺使用電機的磁鏈值都息息相關，同方案設計電機磁鏈波動5 %以內都屬于正常，不能單純的從電流增加幅度、磁鏈、反電勢變化率來簡單粗暴的分析匹配效果。建議用同一個定子和轉子來研究，避免波動誤差，影響分析結論。