高速永磁电机的涡流损耗测量方法

1.本发明涉及电机损耗测量方法，尤其涉及一种高速永磁电机的涡流损耗的测量方法。


背景技术：

2.紧凑型、轻量化高速大功率电机在军事、医疗、矿山救援等方面都具有广阔的应用前景，更是机载大功率电源、电动飞机、飞轮储能等发展的迫切需求。高速永磁电机具有能量密度高、效率高的突出优点，且结构特点使其适用于极高速运行。高速永磁电机转速高、功率密度大，同样会导致电机的损耗相对较大，其中气隙中的高频磁场将直接在转子内产生涡流，形成涡流损耗，它会导致转子过热，特别是高速电机内转子用护套保护，护套导热系数很低，转子过热可能会使磁铁永久消磁，缩短轴承使用寿命，也可能损坏固定套。因此对转子涡流损耗进行准确计算从而采取措施来减小涡流损耗对高速电机的保护至关重要，目前常用的转子涡流损耗理论计算方法主要有解析法和有限元法，而涡流损耗实验测量方法一直以来都是一个难点，目前测量方法存在较大误差。
3.中国专利cn113447814a公开了一种超高速永磁电机损耗分离装置以及损耗分离方法，通过对空载电机平台分别进行转子堵转实验和无转子实验，且保证实验电流幅值和频率与额定工况一致，分别测得两次电机的输入功率，专利中认为两次实验输入功率的差值即为涡流损耗。专利中方案具体通过对空载电机平台进行转子堵转实验，保证实验电流幅值和频率与额定工况一致，并测得电机输入功率，记为pa；对空载电机平台进行无转子实验，保证实验电流幅值和频率与额定工况一致，并测得电机输入功率，记为pb；将上面两次测得有功功率之差p
a-pb为被测电机转子涡流损耗pe。理论上此方法计算得到转子上除机械损耗外所有损耗，但是计算结果的理论误差较大。一方面，在对被测电机进行无转子实验时，要求被测电机必须在低电压下运行，否则电流将陡增，此时极易损坏电机，同时，电机的低电压状态使电机磁密很低，此状态下测得的电机涡流损耗与电机运行在额定状态时的涡流损耗不一致。同时在电机转子堵转实验中，也存在电机运行状态与额定运行工况不一致的问题，无法保证实验条件下电机的电流幅值和频率与额定工况下一致。
4.现有文献(zhang m,luo s,liu x,et al.the eddy current loss segmentation model of permanent magnet for temperature analysis in high﹕peed permanent magnet motor[j].iet power electronics,2021,14(1).)中记载了通过热值实验方法测量转子涡流损耗的方法，通过涡流对转子温升的影响来间接计算涡流损耗值，该方法无法对涡流损耗进行直接测量，且完全绝热环境无法实现，同时热为慢变量，通过热值计算没有重复精度，会使每次得到实验结果均存在较大差异，若将热值计算方法运用在高速电机转子涡流损耗计算中将进一步增大误差。


技术实现要素：

[0005]
为解决现有技术中存在的上述问题，本技术提供了一种高速永磁电机的涡流损耗
测量方法，该方法的测量条件要求低，测试过程简单，可以完全复现超高速永磁电机在额定工况下的实际运行情况，控制成本的同时准确测量高速永磁电机转子机械损耗和涡流损耗。
[0006]
基于上述发明目的，本技术提供了一种高速永磁电机的涡流损耗测量方法，包括以下步骤：
[0007]
步骤一，将源动机、功率分析仪、被测电机同轴连接；
[0008]
步骤二，为被测电机配置无护套的绝缘体转子，在被测电机不加激励时通过源动机将被测电机转速加速到额定转速v，待稳定后通过功率分析仪测得被测电机此时的输入功率，记为p1；
[0009]
步骤三，为被测电机配置带护套的绝缘体转子，在被测电机不加激励时通过源动机将被测电机转速加速到额定转速v，待稳定后通过功率分析仪测得被测电机此时的输入功率，记为p2；
[0010]
步骤四，将步骤三测得的被测电机输入功率p2减去步骤二测得的被测电机输入功率p1，得到被测电机转子有护套和无护套两种状态下机械损耗差值p3。
[0011]
步骤五，为被测电机配置带护套的绝缘体转子，对被测电机施加激励使被测电机运行在额定工况下，并通过源动机将被测电机转速加速到额定转速v，待稳定后测得被测电机此时的输入功率p4；
[0012]
步骤六，为被测电机配置无护套的绝缘体转子，对被测电机施加激励使被测电机运行在额定工况下，并通过源动机将被测电机转速加速到额定转速v，待稳定后测得被测电机此时的输入功率p5；
[0013]
步骤七，将步骤五测得的被测电机输入功率p4减去步骤六测得的被测电机输入功率p5，得到被测电机在转子有护套和无护套两种状态下机械损耗差值以及涡流损耗的总和p6。
[0014]
步骤八，将步骤七中测得的被测电机的转子有护套和无护套两种状态下机械损耗差值以及涡流损耗的总和p6减去步骤四中被测电机的转子有护套和无护套两种状态下机械损耗差值p3，得到被测电机的转子涡流损耗p7。
[0015]
进一步的，源动机设为高速永磁同步电机。
[0016]
进一步的，源动机额定转速为80000r/min，额定功率为13kw。
[0017]
进一步的，被测电机的额定转速v设为80000r/min。
[0018]
进一步的，被测电机的转子护套设为tc4钛合金护套。
[0019]
进一步的，被测电机的无护套绝缘体转子和带护套绝缘体转子除是否带护套外其余各项结构参数均一致。
[0020]
基于上述发明目的，本技术还提供了一种高速永磁电机的涡流损耗测量方法，包括以下步骤：
[0021]
步骤一，将源动机、功率分析仪、被测电机同轴连接；
[0022]
步骤二，获取被测电机在额定转速v时的机械损耗标定值，记为p8；
[0023]
步骤三，对被测电机施加激励并通过源动机将被测电机转速加速到额定转速v，计算此时被测电机的输入功率记为p9；
[0024]
步骤四，去除被测电机的转子及转子护套，对被测电机施加与步骤三相同的激励，
计算被测电机此时的输入功率，记为p
10
；
[0025]
步骤五，将步骤四中被测电机的输入功率p
10
减去步骤3中被测电机的输入功率p9以及被测电机的机械损耗标定值p8得到被测电机的转子涡流损耗p
11
，即p
11
＝p
10-p
9-p8。
[0026]
进一步的，被测电机的额定转速v设为50000r/min。
[0027]
进一步的，被测电机的转子护套设为tc4钛合金护套。
[0028]
进一步的，被测电机的转子设为绝缘体转子。
[0029]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果是：通过给被测电机配置带护套和无护套转子并驱动被测电机工作在额定转速状态，测量条件易于实现；测量时被测电机工作在额定工况下，对电机无危害，且可以准确测得电机在额定工况下的涡流损耗。
附图说明
[0030]
图1是本发明实施例的一种测量方法流程图。
[0031]
图2是本发明实施例的另一种测量方法流程图。
[0032]
图3是本发明实施例的测量装置安装结构示意图。
[0033]
图4是本发明实施例的绝缘体转子带护套状态时的测量装置剖视图。
[0034]
图5是本发明实施例的绝缘体转子无护套状态时的测量装置剖视图。
[0035]
附图标记说明：1、源动机；2、功率分析仪；3、被测电机；31、绝缘体转子；32、护套。
具体实施方式
[0036]
为了使阅读者能够更好的理解本方法之设计宗旨，特提供下述具体实施例，以使得阅读者能够形象的理解本方法所涉及到结构、结构组成、作用原理和技术效果。但应当注意，下述各实施例并非是对本方法技术方案的限定，本领域技术人员在对各实施例进行分析和理解的同时，可结合现有知识对本方法提供的技术方案做一系列变形与等效替换，该变形与等效替换而得的新的技术方案亦被本方法囊括在内。
[0037]
实施例1：
[0038]
如图1所示，一种高速永磁电机的涡流损耗测量方法，包括以下步骤：
[0039]
s101，将源动机1、功率分析仪2、被测电机3同轴连接；源动机1、功率分析仪2和被测电机3之间的连接结构如图3所示，其中，源动机1用于驱动被测电机3，源动机1的输出轴通过功率分析仪2与被测电机3的绝缘体转子31连接，功率分析仪2用于测量被测电机3的输入功率，被测电机3为高速永磁电机，源动机设为高速永磁同步电机，源动机额定转速为80000r/min，额定功率为13kw，功率分析仪采用高精度、多通道的lmg671型功率分析仪。
[0040]
s102，为被测电机3配置无护套32的绝缘体转子31，在被测电机3不加激励时通过源动机1将被测电机3转速加速到额定转速v，待稳定后通过功率分析仪2测得被测电机3此时的输入功率，记为p1。
[0041]
s103，为被测电机3配置带护套32的绝缘体转子31，在被测电机3不加激励时通过源动机1将被测电机3转速加速到额定转速v，待稳定后通过功率分析仪2测得被测电机3此时的输入功率，记为p2。
[0042]
s104，将步骤s103测得的被测电机3输入功率p2减去步骤s102测得的被测电机3输入功率p1，得到被测电机转子有护套和无护套两种状态下机械损耗差值p3。
[0043]
s105，为被测电机3配置带护套32的绝缘体转子31，对被测电机3施加激励使被测电机3运行在额定工况下，并通过源动机1将被测电机3转速加速到额定转速v，待稳定后测得被测电机此时的输入功率p4；
[0044]
s106，为被测电机3配置无护套的绝缘体转子31，对被测电机3施加激励使被测电机3运行在额定工况下，并通过源动机1将被测电机3转速加速到额定转速v，待稳定后测得被测电机此时的输入功率p5；
[0045]
s107，将步骤s105测得的被测电机3输入功率p4减去步骤s106测得的被测电机3输入功率p5，得到被测电机3在绝缘体转子31有护套32和无护套两种状态下机械损耗差值以及涡流损耗的总和p6。
[0046]
s108，将步骤s107中测得的被测电机3的转子有护套32和无护套两种状态下机械损耗差值以及涡流损耗的总和p6减去步骤s104中被测电机的转子有护套和无护套两种状态下机械损耗差值p3，得到被测电机3的转子涡流损耗p7。
[0047]
在高速永磁电机中，永磁体在高速旋转下，难以在长时间工作的情况下承受巨大的离心力，必须对永磁体采取保护措施，目前最常用的两种保护措施是碳纤维捆扎永磁体和永磁体外加合金保护套，同时保护措施又会增加空间和时间谐波在转子中的涡流损耗，给高速永磁电机散热带来较大的困难，造成电机转子温升过高、永磁体发生不可逆退磁的后果，因此高速永磁电机中的涡流损耗主要来源于合金或碳纤维等各种材料制成的护套，在电机绝缘体转子无护套时涡流损耗很小，可以忽略不计，而且，在只有在电机施加激励时才会产生涡流损耗，在不施加激励的情况下则不存在涡流损耗只有机械损耗，因此本实施例中通过源动机1驱动被测电机3在无激励的条件下使被测电机3在额定转速并通过功率分析仪测量被测电机3在无涡流损耗时带护套时和不带护套时的两次输入功率，并通过两次输入功率的差值分离出因为添加护套32而引起的机械损耗差值，然后在施加额定激励的条件下也分别测量带护套时和不太护套时的两次输入功率，在带护套施加激励时的输入功率中即存在涡流损耗也存在因护套而引起的机械损耗差值，将此输入功率减去因护套引起的机械损耗差值和无护套时电机的输入功率即可得到被测电机3的绝缘体转子由于添加护套而引起的涡流损耗，而高速永磁电电转子无护套时的涡流损耗很小，可忽略不计，因此，可将电机转子护套引起的涡流损耗等同于被测电机3的涡流损耗。
[0048]
作为一种实现方式，被测电机3的额定转速v设为80000r/min。
[0049]
作为一种实现方式，被测电机3的转子护套32设为tc4钛合金护套，由于超高速电机在运行时，转子会产生很大的离心力，一般会采用碳纤维或金属合金材料制成护套对转子进行保护，本实施例以tc4钛合金护套为例，也可采用其他材料制成的护套。
[0050]
作为一种实现方式，被测电机3的无护套32绝缘体转子31和带护套32绝缘体转子31除是否带护套32外其余各项结构参数均一致，为了保证测量结果的准确性，将被测电机3的无护套绝缘体转子和带护套绝缘体转子除是否带护套32外其余各项结构参数均一致。
[0051]
综上所述，本实施例与现有技术相比具有的有益效果如下：
[0052]
(1)本实施例的测量装置只需要将源动机1、功率分析仪2、被测电机3同轴连接即可搭建完成，实验条件无其他要求，易于实现，且各步骤中被测电机3都运行在额定转速下，对电机无危害，可以准确反映额定工况下高速永磁电机的转子涡流损耗情况；
[0053]
(2)测量原理基于涡流损耗的产生来源，并通过多次测量去除电机运行过程中可
能产生的其他损耗，大幅提高了电机涡流损耗的计算精度，在降低涡流损耗计算实验误差的同时大幅减小理论误差。
[0054]
(3)解决了由于转子无铁心而无法加大电压以及磁密低的问题，可以完整复现高速电机在额定工况下的实际运行情况，精确测得电机实际运行的涡流损耗。
[0055]
(4)在保证计算精度的同时，实验条件易于满足，测量重复精度良好。
[0056]
(5)该方案通过实验方法直接测量涡流损耗，解决了有限元法带来的计算时间长、占用资源多以及解析法对模型简化带来较大误差等问题。
[0057]
实施例2
[0058]
作为本发明的另一种实现方式，如图2所示，一种高速永磁电机的涡流损耗测量方法，包括以下步骤：
[0059]
s201，将源动机1、功率分析仪2、被测电机3同轴连接；源动机1、功率分析仪2和被测电机3之间的连接结构如图3所示，其中，源动机1用于驱动被测电机3，源动机1的输出轴通过功率分析仪2与被测电机3的绝缘体转子31连接，功率分析仪2用于测量被测电机3的输入功率，被测电机3为高速永磁电机，源动机设为高速永磁同步电机，源动机额定转速为80000r/min，额定功率为13kw，功率分析仪采用高精度、多通道的lmg671型功率分析仪。
[0060]
s202，获取被测电机3在额定转速v时的机械损耗标定值，记为p8。
[0061]
s203，对被测电机3施加激励并通过源动机1将被测电机3转速加速到额定转速v，计算此时被测电机3的输入功率记为p9。输入功率p9为电机在额定工况下除转子涡流损耗和机械损耗外其余功率及其他损耗的总和。
[0062]
s204，去除被测电机3的转子及转子护套32，对被测电机3施加与步骤s203相同的激励，计算被测电机3此时的输入功率，记为p
10
。
[0063]
s205，将步骤s204中被测电机3的输入功率p
10
减去步骤s203中被测电机3的输入功率p9以及被测电机3的机械损耗标定值p8得到被测电机3的转子涡流损耗p
11
，即p
11
＝p
10-p
9-p8。
[0064]
步骤s203中将被测电机3去除转子机转子护套后施加额定工况下的激励，计算此时被测电机3的输入功率p9，此输入功率为被测电机3去除转子机械损耗和涡流损耗下的输入功率，步骤s204中得到的被测电机3的输入功率p
10
减去输入功率p9后再减去被测电机3的额定转速v时的机械损耗标定值p8，即可得到被测电机3的转子涡流损耗p
11
。
[0065]
作为一种实现方式，被测电机3的额定转速v设为50000r/min。
[0066]
作为一种实现方式，被测电机3的转子护套32设为tc4钛合金护套32。由于超高速电机在运行时，转子会产生很大的离心力，一般会采用碳纤维或金属合金材料制成护套对转子进行保护，本实施例以tc4钛合金护套为例，也可采用其他材料制成的护套。
[0067]
作为一种实现方式，被测电机3的转子设为绝缘体转子31。
[0068]
本实施例做为实施例1中的被测电机在相对较低转速时的一种相对便捷的测量方法，其有益效果如下：
[0069]
(1)本实施例的测量装置只需要将源动机1、功率分析仪2、被测电机3同轴连接即可搭建完成，实验条件无其他要求，易于实现，且各步骤中被测电机3都运行在额定转速下，对电机无危害，可以准确反映额定工况下高速永磁电机的转子涡流损耗情况；
[0070]
(2)测量原理基于涡流损耗的产生来源，并通过多次测量去除电机运行过程中可
能产生的其他损耗，大幅提高了电机涡流损耗的计算精度，在降低涡流损耗计算实验误差的同时大幅减小理论误差。
[0071]
(3)在保证计算精度的同时，实验条件易于满足，测量重复精度良好。
[0072]
(4)该方案通过实验方法直接测量涡流损耗，解决了有限元法带来的计算时间长、占用资源多以及解析法对模型简化带来较大误差等问题。
[0073]
综上所述，通过给被测电机3配置带护套32和无护套32转子并驱动被测电机3工作在额定转速状态，测量条件易于实现；测量时被测电机3工作在额定工况下，对电机无危害，且可以准确测得电机在额定工况下的涡流损耗。
[0074]
应当理解的是，对于本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。具体实施方案所对应的附图以为辅助理解的形式存在，能够方便阅读者通过理解具体形象化的下位概念以充分理解本方法所涉及的技术理念之抽象化的上位概念。在对本方法的整体理解和与其他除本方法所提供的技术方案之外的技术方案进行比对时，不应当以附图之表象作为唯一参考依据，还应在理解了本方法理念之后，依照附图或不依照附图做出的一系列变形、等效替换、特征元素之糅合、非必要技术特征元素之删减重组、现有技术中常见的非必要技术特征元素之合理增加重组等，均应理解为被囊括在本方法的精神之内。