华科大团队提出绕组涡流损耗的半解析算法
The team of the University of Science and Technology proposed a semi-analytical algorithm for winding eddy current loss
近年来，电机系统正朝着高速化、轻量化的方向发展，在电力电子技术和稀土材料快速发展的背景下，永磁电机正逐渐成为新一轮电气化进程的主角。然而，随着永磁电机功率密度和转速的提升，电机高频交流效应越发显著，造成绕组交流铜耗增加，不仅降低了电机效率，还会引起电机过热，危及电机安全运行。因此，准确且快速地评估绕组交流铜耗成为永磁电机，特别是高功率密度、高转速和高负载电机研发的重要一环。
永磁电机的交流铜耗可分解为环流损耗、涡流损耗及直流铜耗三部分。对于多根导线并绕的绕组，由于各导体所处的磁场环境不同，感生电动势存在差异，并绕导线间会形成环流，引起环流损耗。此外，槽漏磁和高频交流电会产生邻近效应和趋肤效应，使得导体电流密度分布不均，产生涡流损耗。为了分析和抑制交流铜耗，需要对其进行精确计算，现有的计算方法主要有解析法、有限元法和半解析法。解析法以槽漏磁和损耗的解析计算为基础，求解快速，但通常需要进行模型简化和问题假设，因此计算精度不高。考虑到铁心饱和、开槽效应等因素，通常采用有限元法求解交流铜耗，此时就必须对槽内所有导体建模，但是对于导体随机排布的漆包散线绕组电机，其建模过程复杂，网格剖分密集，极大地增加了计算量，因此有限元法不太适合大规模的设计优化。解析法计算快速，但忽略了电机的饱和效应，槽漏磁计算不准确，降低了涡流损耗的求解精度；而有限元法计算准确，但网格密集，求解十分耗时。因此综合两种方法的优缺点，将有限元法与解析法相结合的半解析法成为研究热点，其主要思想是先利用有限元计算准确的槽漏磁，再代入损耗解析式求解，既保证了求解精度，又能显著提高求解速度。但是，利用半解析法计算绕组涡流损耗仍需要借助有限元，花费大量计算时间，并且传统的涡流损耗解析计算基于低频的假设，存在局限性。
强电磁工程与新技术国家重点实验室（华中科技大学）的曹龙飞、范兴纲、李大伟、曲荣海、刘京易，在2023年第1期《电工技术学报》上撰文，以散线绕制的永磁电机为研究对象，提出基于快速有限元绕组涡流损耗的半解析计算方法，针对有限元计算涡流损耗的不足，将传统的有限元模型分解为一般有限元模型和导体位置模型，并借助于快速有限元的思想快速提取槽漏磁数据为解析算法服务，大大减少了有限元仿真时间。
根据涡流损耗的产生机理，本工作揭示了导体涡流损耗一般低频解析式的局限性，对高频情况下考虑涡流去磁效应的导体涡流损耗进行了解析推导。研究人员通过搭建基于FEMM和Matlab仿真平台来实现上述方法，并采用实验对所提出的方法进行了验证。
最后得出的主要结论如下：
1）与Maxwell仿真对比分析发现，低频解析算法仅适用于10kHz以内，而高频解析算法在50kHz时仍具有足够高的精度，并通过实验进一步验证了高频解析算法的准确性，在较大频率范围内误差低于5%。
2）相较于传统有限元计算电机绕组涡流损耗，基于快速有限元的半解析算法将计算速度提高了近100倍，对电机设计和优化具有很大的应用价值。
3）半解析算法能计算出不同槽类型的涡流损耗，同相槽的涡流损耗大于异相槽的，两者比值约等于槽磁动势之比。
4）电机饱和与转子侧对绕组涡流损耗的影响较大，一般解析法不考虑上述因素，而所提出的半解析算法基于快速有限元，具有高保真度。
虽然本工作提出的绕组涡流损耗半解析算法计算高效，但仍存在一些不足。一方面，本工作研究的绕组无并绕导线，对于并绕导线绕组，还需要研究环流损耗的算法；另一方面，对于成型绕组的涡流损耗高效计算也是一项课题，上述问题将作为后续研究永磁电机交流铜耗的重点。
转自：计算速度提高近百倍！华科大团队提出绕组涡流损耗的半解析算法-今日头条 (toutiao.com)