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拓扑与电路
★ 5.0
逆变器供电永磁电机中磁体涡流的二维与三维建模
2D and 3D Modeling of Magnet Eddy Currents in Inverter-Fed Permanent Magnet Machines
| 作者 | Mehran Mirzaei |
| 期刊 | IEEE Transactions on Energy Conversion |
| 出版日期 | 2025年1月 |
| 技术分类 | 拓扑与电路 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 永磁电机 磁体涡流 解析建模 三维效应 损耗计算 |
语言:
中文摘要
本文提出了用于对逆变器供电的表贴式永磁电机中磁体涡流进行解析建模的新型二维和三维方法。逆变器电流的时间谐波会在表贴式磁体中引发感应涡流和损耗。在弧形磁体中,分别在考虑和不考虑涡流反应场的情况下对涡流进行建模。忽略反应场用于计算一个新的端部效应系数,以在二维计算中考虑第三维对涡流损耗的影响。利用新型二维和三维解析方法推导出磁体损耗的闭式方程,以快速计算磁体涡流损耗。在三维建模中采用傅里叶级数法求解微分方程。在三维磁体损耗方程中分离出不考虑第三维效应的二维磁体损耗方程,这有助于清晰展示第三维效应。将解析结果与三维有限元计算结果进行对比,以评估解析计算的涡流损耗的准确性。对比二维和三维磁体损耗结果,以评估第三维对磁体损耗的影响。考虑了两种不同的表贴式永磁电机,以验证解析方法相对于有限元结果的有效性。
English Abstract
This paper presents new 2D and 3D methods for analytical modeling of magnet eddy currents in inverter-fed surface-mounted permanent magnet machines. The time harmonics of the inverter current cause the induced eddy currents and losses in the surface-mounted magnets. The modeling of eddy currents is performed with and without consideration of the reaction fields of eddy currents in arc-shaped magnets. Neglecting reaction fields is used to calculate a new end effect factor to consider the third dimension's effect on the eddy current losses in the 2D calculation. Closed-form equations for magnet losses are extracted using new 2D and 3D analytical methods for fast calculations of magnet eddy current losses. The Fourier series approach is utilized to solve differential equations in 3D modeling. The 2D magnet losses equation without the third-dimension effect is separated in the 3D magnet losses equation, which helps to clearly show the third-dimension effect. The analytical results are compared with 3D finite element calculations to evaluate the accuracy of analytically calculated eddy current losses. 2D and 3D magnet loss results are compared to evaluate the third-dimension effect on magnet losses. Two different surface-mounted permanent magnet machines are considered to validate analytical methods compared to finite element results.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看,这项关于逆变器供电永磁电机中磁体涡流损耗的2D/3D建模研究具有重要的技术参考价值。虽然该论文聚焦于永磁电机领域,但其核心技术与我司光伏逆变器、储能变流器以及新能源汽车驱动系统存在显著的技术关联性。
**业务相关性分析**:逆变器输出电流的时间谐波是导致永磁体涡流损耗的根本原因,这一物理现象在我司的储能PCS系统、光伏并网逆变器以及电动汽车驱动系统中普遍存在。论文提出的快速闭式解析方法,可为我司在逆变器PWM策略优化、永磁同步电机驱动控制算法设计方面提供理论支撑,特别是在储能系统的双向变流器和电动汽车动力总成领域具有直接应用价值。
**技术价值评估**:该研究的创新点在于提出了考虑端部效应的修正因子,将3D效应引入2D计算,显著提升了计算效率而不牺牲精度。这种快速计算方法可集成到我司的电机设计平台和逆变器控制算法中,实现实时损耗预测和热管理优化,对提升系统效率和可靠性具有实际意义。经FEM验证的解析模型表明技术成熟度较高,具备工程化应用条件。
**应用前景与挑战**:短期内可应用于我司储能变流器的磁性元件优化设计和电动汽车驱动系统的效率提升;中长期可支撑氢能压缩机驱动、风电变流器等新业务的技术开发。主要挑战在于如何将该解析模型与我司现有的多物理场仿真平台深度集成,以及在复杂工况下的模型适应性验证。建议跟踪相关研究动态,评估技术引进或合作开发的可行性。