永磁电机铁损的分类及铁损分离原理

描述

1.铁损分类

铁损(iron loss,也称作core loss)是指像变压器、电感器、交流马达及交流发电机等有导磁体(以下简称为铁芯)的电机设备中,因导磁体受到变动磁场的影响,在铁芯中损耗的部分能量,损耗的能量会以热的方式散失,有时则是以噪音的方式散失。

铁损可分为磁滞损(Hysteresis losses)、涡流损(Eddy-current losses)及异常损(Anomalous losses)3种。

磁滞损(Hysteresis losses):当通过铁芯的磁场改变时,铁芯材料的磁化强度会变化,因为磁畴壁的移动,造成其中微小磁畴的膨胀及收缩。不过磁畴壁在移动时,会受到晶体缺陷的影响而卡住,最后磁畴壁仍会移动,但是会发热,即为磁滞损。磁滞损可以从材料的B-H曲线中看出,B-H图为一封闭的曲线,磁场变化一个周期时,单位体积材料的磁滞损即为磁滞圈内的面积,若交流磁场大小不变,每一周期的能量损失为定值,此时磁滞损和频率成正比。

电感器

磁滞损耗

涡流损(Eddy-current losses):若铁芯为导体,因为电磁感应,磁场的变化会感应在导体内循环的电流,称为涡电流。涡电流和磁场垂直。涡电流的能量会因为铁芯材料的电阻而发热耗散,涡流损和电流循环面积的大小成正比,和材料的电阻率。若铁芯是由薄的叠层组成,中间又有绝缘的涂层,可以减少涡流损。调整铁芯材料也可以减少涡流损,一种是使用导磁但不导电的材料,例如铁氧体,若使用加硅的电工钢(矽钢),钢的电阻率明显上升,也可以减少涡流损。

涡流损耗

异常损(Anomalous losses):包括磁滞损及涡流损以外的损失,也可以描述成磁滞圈因为频率而加大。异常损的物理机制包括移动磁畴壁时局部的涡流损。

名词解释:磁畴 是铁磁质的基本组成部分;材料内部拥有均一磁化强度的区域;铁磁质的原子磁矩主要由原子中电子自旋决定;在各磁畴中,原子磁矩的排列各有相互平行的自发倾向,磁矩方向保持一致,因此具有磁性;但是各磁畴的排列方向是混乱的,所以铁磁体在没有被磁化前不显磁性。磁矩结构与铁磁性物质(例如铁)的磁性行为有关。

显微镜下的磁畴

在其他的材料中,一般并不存在磁畴结构。在居里温度以下,磁畴是自发出现的,并不需要外部磁场的存在。不同磁畴内磁矩的方向不同,在磁畴的边界,磁矩从一个方向连续地过度到另一个方向。磁畴的典型尺寸在10的-15 m3 在外磁场的作用下,各磁畴的大小发生变化,自发磁化方向和外磁场方向相同或近似相同的磁畴扩大,方向相反或近似相反的磁畴缩小,以致外磁场方向上的总磁矩跟着外磁场的增强而增加;当外磁场增强到一定程度,所有磁畴的磁矩方向一致,这时达到磁性饱和。

2.铁损分离原理

(1)频率分离

因为磁滞损耗与频率成正比,涡流损耗与频率平方成正比,根据这个特点进行铁损的分离。即当磁通密度为B时,铁损表达式可以写为 W ironloss= a(B)×f+b(B,f)×f2

等式两侧除以频率f即可得到 W/f=a+b×f,求出a,b值就可以计算出涡流损耗和磁滞损耗了,异常损耗忽略。

(2)计算案例:1.5KW永磁同步电机计算仿真分析

选择铁损合计的计算方法

电感器

电感器

w/f=(18.81+0.053f)*E-3 例如:400HZ情况下 磁滞损耗:7.52W,涡流损耗8.59W;

通过计算软件涡流损耗:

电感器

不同频率下涡流损耗值

电感器

400HZ下磁滞损耗值

本文使用Jmag仿真,注意材料中涡流损耗设置,叠压方向电阻值取值需根据实际情况,一般>2100Ω;文档路径没有中文字符;选择计算总铁损需材料选择有磁滞回线的材料。如果单独计算磁滞损耗,B-P曲线可以由软件计算得到磁滞回线。时间和迭代次数适当增加,以结果收敛。

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