永磁電機(jī)損耗、溫升和冷卻分析

1、電機(jī)多物理場分析方法

在低溫至高溫的寬溫區(qū)范圍、真空等航天惡劣環(huán)境下，永磁電機(jī)電磁參數(shù)變化很大，材料發(fā)生非線性變化，電磁場、溫度場、流體場、應(yīng)力場等各個(gè)物理場之間耦合關(guān)系更加復(fù)雜，在正常環(huán)境下可以忽略的多物理場耦合關(guān)系變得不可忽略，成為關(guān)鍵的技術(shù)難題 。

電機(jī)的鐵心損耗、風(fēng)摩損耗、電機(jī)溫升不但與環(huán)境溫度和壓強(qiáng)密切相關(guān)，而且相互影響。在真空環(huán)境中，散熱條件特殊，與相毗鄰部件的形狀及表面屬性相關(guān)，熱輻射與表面溫度成非線性關(guān)系。真空至高壓強(qiáng)的變化影響應(yīng)力和材料特性變化，使得電機(jī)的多物理場建模難度增大。因此惡劣環(huán)境下永磁電機(jī)內(nèi)各物理場耦合關(guān)系非常復(fù)雜，研究各物理量和物理場的耦合關(guān)系及其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律非常困難 。

永磁電機(jī)的多物理場分析方法以數(shù)值解析法和有限元分析為主。在數(shù)值解析方面，通用的建模方法有傳統(tǒng)矩陣法、鍵合圖法、聯(lián)結(jié)法、網(wǎng)絡(luò)法等 。鐘掘院士等提出了對復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)進(jìn)行全局耦合分析及耦合并行設(shè)計(jì)的基本理論 。

賀尚紅教授等提出建立復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建模矩陣法，并建立機(jī)、電、液傳遞矩陣統(tǒng)一模型。文獻(xiàn)采用廣義控制系統(tǒng)對發(fā)動(dòng)機(jī)多場耦合數(shù)值仿真建立統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型，求解氣、熱、彈耦合的變域差分問題。介紹了多場耦合的節(jié)點(diǎn)映射方法，討論了場域內(nèi)載荷傳遞。

但是數(shù)值解析法在耦合建模和求解仍存在較多問題，由于假設(shè)條件和忽略因素過多，導(dǎo)致計(jì)算精度不夠。在有限元分析方面，眾多 CAD /CAE 軟件公司，如 Ansys、Flux、SIMULIA、UGS 等開發(fā)多物理場耦合計(jì)算工具，已應(yīng)用于航空聲學(xué)、磁流體力學(xué)、動(dòng)態(tài)流固耦合等領(lǐng)域，電磁計(jì)算的精度和效率逐步提高。2007 年英國創(chuàng)刊的 《InternationalJournal of Multi Physics》雜志每年召開多場耦合會(huì)議，重點(diǎn)關(guān)注數(shù)值模型、模型計(jì)算、實(shí)驗(yàn)調(diào)查，其中包括電機(jī)多物理場分析。

在傳統(tǒng)多物理場耦合分析方面，采用交替迭代的方法可以有效解決弱耦合以及周期穩(wěn)態(tài)強(qiáng)耦合場問題，直接耦合方法則是分析暫態(tài)強(qiáng)耦合場問題的最佳途徑。最初的多場耦合計(jì)算是采用順序單次耦合迭代方法，計(jì)算量較少，但是由于沒有考慮多場耦合，計(jì)算精確度較差。針對單次順序耦合的不足，提出了同一模型順序耦合計(jì)算方法，省去了兩次建模的過程，但是要求多物理場的耦合模型剖分一致且合理，否則計(jì)算結(jié)果差距較大，并且計(jì)算量比較大。

同時(shí)，在分析含有外電路的直流無刷電機(jī)時(shí)，還需結(jié)合場路耦合分析，妥善處理非線性電路分析中仿真步長與計(jì)算量間的矛盾 。由此可見，由于耐高溫電機(jī)內(nèi)耦合物理場多、耦合關(guān)系復(fù)雜、環(huán)境邊界復(fù)雜，現(xiàn)有的耦合場建模與解耦計(jì)算方法有待進(jìn)一步改進(jìn)。

2、電機(jī)材料與器件特性變化規(guī)律

常規(guī)電機(jī)所用的材料，例如永磁體、電磁線和絕緣材料等，在高溫、低溫等惡劣環(huán)境下使用時(shí)會(huì)出現(xiàn)性能下降、失效、可靠性降低等問題。另一方面，高溫環(huán)境下永磁電機(jī)材料的特性變化規(guī)律復(fù)雜，在溫度范圍近 300℃時(shí)，硅鋼片的特性變化明顯，電磁線導(dǎo)電特性變化近3 倍，釤鈷永磁材料特性變化30% ，流體黏度特性變化可能達(dá)到10 倍以上，絕緣材料的導(dǎo)電特性與介電強(qiáng)度特性發(fā)生變化。

耐高溫永磁電機(jī)常采用釤鈷永磁材料，釤鈷Sm2Co17永磁材料工作溫度高達(dá)350℃。當(dāng)工作溫度更高時(shí)，考慮采用鋁鎳鈷材料，其最高使用溫度可達(dá)520℃，溫度系數(shù)為－0. 2% /℃，但其矯頑力低，通常小于160kA /m，在磁路設(shè)計(jì)時(shí)必須校核其去磁工作點(diǎn)。目前已研制出的新型稀土永磁材料，如釹鐵氮、釤鐵氮等，其磁粉的最大磁能積可達(dá) 40MGOe，接近釹鐵硼磁粉的 3 倍，而原材料成本是釹鐵硼磁粉的1 /3，但尚處于實(shí)驗(yàn)室研制階段。

硅鋼片的磁化曲線和損耗特性曲線對電機(jī)的損耗計(jì)算、過載能力計(jì)算等非常關(guān)鍵; 硅鋼片疊片膠粘劑的熱穩(wěn)定性對電機(jī)在高溫、高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的安全和穩(wěn)定性有著直接的影響。日本學(xué)者Takahashi 等利用具有 700 個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)模型分析了具有單匝線圈的旋轉(zhuǎn)電機(jī)中定子線圈股線中的溫度分布 ; 分析高溫膨脹引起的機(jī)械應(yīng)力對硅鋼片磁特性的影響，結(jié)果表明，隨著壓應(yīng)力的增大，硅鋼片的磁導(dǎo)率明顯下降，比總損耗顯著升高。絕緣材料的絕緣性能影響電機(jī)的安全運(yùn)行、可靠性和壽命。

美國杜邦公司生產(chǎn)聚酰亞胺薄膜和聚酰亞胺膠帶，用于電機(jī)電磁線絕緣、電機(jī)槽絕緣，最高耐溫可達(dá)400℃。若電機(jī)產(chǎn)生的熱量使溫度超過了500℃，可以采用陶瓷絕緣。

高溫環(huán)境下電子器件的特性不但發(fā)生明顯變化，還會(huì)出現(xiàn)熱噪聲等特殊現(xiàn)象，例如: 模擬器件的參數(shù)和線性度變化范圍大; 數(shù)字電路抗干擾性變差，出現(xiàn)熱噪聲等特殊現(xiàn)象; 功率器件的輸出特性發(fā)生變化，電容電阻的參數(shù)漂移明顯。

發(fā)達(dá)國家研制出耐惡劣環(huán)境的電子器件，然而因技術(shù)保密，可供查詢的文獻(xiàn)極少。由于材料特性和器件特性是電機(jī)與驅(qū)動(dòng)控制電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，在高溫、低溫等惡劣環(huán)境下，電機(jī)材料與電子器件特性的變化規(guī)律的獲取和精確模型的建立是耐高溫永磁電機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)難題。

3、永磁電機(jī)損耗、溫升和冷卻分析

在高溫環(huán)境下，永磁電機(jī)中材料屬性發(fā)生變化，引起鐵心損耗、繞組銅損、轉(zhuǎn)子損耗均發(fā)生顯著變化。在傳熱方面，真空或電機(jī)內(nèi)部充油時(shí)傳熱方式不同，電機(jī)內(nèi)部溫度分布規(guī)律復(fù)雜; 在散熱方面，航天用電機(jī)的冷卻環(huán)境和冷卻條件受到制約，很難設(shè)計(jì)水冷、風(fēng)冷等措施，導(dǎo)致其散熱困難。

當(dāng)電機(jī)工作在高溫、高速、高功率密度等極限條件下，其發(fā)熱溫升更嚴(yán)重。電機(jī)溫升過高造成永磁體出現(xiàn)不可逆失磁、漆包線絕緣層破壞甚至電機(jī)讓繞組燒毀等事故，因此，損耗與溫升的準(zhǔn)確計(jì)算是耐高溫永磁電機(jī)設(shè)計(jì)與分析的關(guān)鍵技術(shù)之一，并且電機(jī)發(fā)熱溫升也是影響電機(jī)可靠性和壽命的最主要因素。

目前，對永磁電機(jī)熱問題的研究，主要集中在對熱計(jì)算方法的研究上。熱計(jì)算方法主要有五種:公式法、等效熱路法、熱網(wǎng)格法、溫度場法和參數(shù)辨識法，其中溫度場法是目前最常用的方法。

溫度場計(jì)算中對熱源 ( 電機(jī)損耗) 的計(jì)算是基礎(chǔ)。銅耗的計(jì)算應(yīng)主要考慮繞組電阻值受外界環(huán)境 ( 如濕度、溫度等) 的影響，以及槽內(nèi)導(dǎo)體的集膚效應(yīng)等影響。而電機(jī)鐵心損耗的計(jì)算，目前較準(zhǔn)確的鐵心損耗計(jì)算方法是依據(jù)分離鐵耗模型，根據(jù)產(chǎn)生原因的不同將鐵耗分為磁滯損耗、渦流損耗和雜散損耗，考慮電機(jī)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)磁化和交變磁化分別加以計(jì)算 。

在計(jì)算中，對鐵心損耗系數(shù)及修正系數(shù)的確定至關(guān)重要。高溫環(huán)境下，電機(jī)負(fù)載大范圍變化，它不但使得電機(jī)繞組內(nèi)的電流變化影響銅耗的產(chǎn)生，還導(dǎo)致氣隙磁密波形的非正弦性從而影響鐵耗。因此對高溫環(huán)境永磁電機(jī)損耗的計(jì)算，需要綜合考慮外界環(huán)境溫度、電機(jī)極限性能及工作狀態(tài)等各方面的影響因素。

以損耗為熱 源，考慮電機(jī)的傳熱散熱途徑，建立電機(jī)的溫度場，以期得到電機(jī)各點(diǎn)的溫度和溫升規(guī)律，通常電機(jī)溫度場模型中電機(jī)材料熱系數(shù)是恒定的量，而在高溫環(huán)境下，不但電機(jī)損耗是時(shí)變的，而且電機(jī)材料的導(dǎo)熱系數(shù)等熱參數(shù)也受環(huán)境的壓力、溫度等變化影響 。

因此需要充分考慮惡劣環(huán)境的因素，采用數(shù)值計(jì)算和有限元分析相結(jié)合對永磁電機(jī)進(jìn)行熱問題研究，并且通過模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境進(jìn)行測試驗(yàn)證，是拓展永磁電機(jī)系統(tǒng)在高溫環(huán)境條件下安全工作的重要保證。

4、電機(jī)失效機(jī)理及壽命預(yù)估方法

高溫環(huán)境下永磁電機(jī)及電子電路的發(fā)熱更容易導(dǎo)致電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制器的性能下降甚至失效。在電機(jī)失效機(jī)理的研究方面，主要是對絕緣層失效和永磁體失磁的研究。由于缺乏精確的老化數(shù)學(xué)模型及絕緣失效機(jī)理定量描述困難，對電機(jī)絕緣的研究一直是電機(jī)絕緣診斷技術(shù)中的難題，目前的方法主要還是通過非破壞參量來預(yù)測剩余擊穿電壓，從而評估電機(jī)的絕緣狀態(tài) 。

而永磁體失磁的主要原因在于在高溫或高低溫交替環(huán)境下渦流場引起的損耗溫升，因此研究主要集中在對渦流場的計(jì)算，通過對主絕緣性能的評估，來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)壽命的預(yù)測。

目前，國內(nèi)對電機(jī)壽命的研究主要在于對大型電機(jī)的研究，這是因?yàn)榇箅姍C(jī)運(yùn)行條件復(fù)雜、惡劣，在長期運(yùn)行過程中，絕緣逐漸老化，擊穿電壓逐步下降， 而對中小型電機(jī)的壽命研究較少，特別是在高溫環(huán)境下永磁電機(jī)的失效機(jī)理及壽命預(yù)估研究更少 。而實(shí)際上，對于工作在極限性能狀態(tài)或耐高溫環(huán)境下的中小型電機(jī)，由于其極限應(yīng)用，永磁電機(jī)的電磁負(fù)荷設(shè)計(jì)高，電機(jī)絕緣老化速度較常規(guī)電機(jī)會(huì)加快，也存在繞組絕緣老化被擊穿失效導(dǎo)致電機(jī)燒毀等問題。

此外，通常常規(guī)電機(jī)的電磁負(fù)荷設(shè)計(jì)不是很高，而且為保證電機(jī)可靠性常延長電機(jī)的設(shè)計(jì)壽命。而耐高溫永磁電機(jī)設(shè)計(jì)是以追求電機(jī)的環(huán)境適應(yīng)性和極限應(yīng)用為目標(biāo)，只有認(rèn)清了電機(jī)失效機(jī)理及準(zhǔn)確預(yù)測電機(jī)壽命規(guī)律，才能在電機(jī)設(shè)計(jì)應(yīng)用中真正實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)。因此，耐高溫永磁電機(jī)的失效機(jī)理及壽命預(yù)測研究是另一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)難題。

5、高低溫環(huán)境永磁電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)

高低溫環(huán)境下電機(jī)系統(tǒng)的器件特性和指標(biāo)變化大，電機(jī)模型與參數(shù)復(fù)雜，非線性度增加、耦合程度增加，功率器件損耗變化大，不但驅(qū)動(dòng)器的損耗分析與溫升控制策略復(fù)雜，而且四象限運(yùn)行控制更加重要，常規(guī)的驅(qū)動(dòng)控制器設(shè)計(jì)和電機(jī)系統(tǒng)控制策略不能滿足高溫環(huán)境的要求。

常規(guī)設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)控制器工作在環(huán)境溫度相對穩(wěn)定條件下，而且很少考慮質(zhì)量、體積等指標(biāo)。然而在極端工況下，環(huán)境溫度在－70 ～ 180℃的寬溫區(qū)范圍內(nèi)變化，大部分的功率器件無法在此低溫中啟動(dòng)，導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)器功能失效。另外受電機(jī)系統(tǒng)總質(zhì)量限制，驅(qū)動(dòng)控制器的散熱性能必然要大幅度減小，這反過來影響驅(qū)動(dòng)控制器的性能及可靠性。

超高溫條件下，成熟的SPWM、SVPWM、矢量控制方法等開關(guān)損耗較大，應(yīng)用受到限制。隨著控制理論和全數(shù)字控制技術(shù)的發(fā)展，速度前饋、人工智能、模糊控制、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)、滑模變結(jié)構(gòu)控制和混沌控制等各種先進(jìn)算法在現(xiàn)代永磁電機(jī)伺服控制中都有了成功的應(yīng)用。

Calogero Cavallaro 提出了包含鐵損的永磁同步電機(jī)動(dòng)態(tài)模型 ，并基于該模型提出了內(nèi)置式永磁同步電機(jī)損耗最小控制算法。然而各種控制策略都有其自身難以克服的缺點(diǎn)，尤其是環(huán)境變化帶來的參數(shù)問題、耦合問題、損耗問題、模型復(fù)雜等，使得目前的方法都存在局限性。

對耐高溫環(huán)境電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，必須以物理場計(jì)算為基礎(chǔ)，密切結(jié)合材料與器件特性的變化特點(diǎn)，建立電機(jī)－變流器一體化模型，進(jìn)行場路耦合分析才能充分考慮環(huán)境對電機(jī)系統(tǒng)特性的影響，充分利用現(xiàn)代控制技術(shù)以及智能控制技術(shù)，才能提高電機(jī)綜合控制品質(zhì)。另外，工作于惡劣環(huán)境下的永磁電機(jī)由于不易更換，處于長時(shí)間運(yùn)行工況下，并且外部環(huán)境參數(shù) ( 包括: 溫度、壓強(qiáng)、氣流速度和方向等) 變化復(fù)雜，導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)工況隨動(dòng)。因此，必須研究參數(shù)攝動(dòng)以及外部擾動(dòng)情況下永磁電機(jī)高魯棒性驅(qū)動(dòng)控制器的設(shè)計(jì)技術(shù)。