摘要：该文针对感应电机损耗进行实验测试和2D有限元建模～首先搭建了感应电机损耗测试的实验平台，在三相正弦波驱动电机的情况F，测得电机空载时的风阻与摩擦损耗、铜损耗以及铁损耗。根据实验测试结果，建立了较精确的感膻电机损耗2D有限元模型在三相正弦波电源驱动负载电机和PwM波电源驱动空载／负载电机时，利用该有限元仿真模型和实验平台分别计算和测试了电机各种损耗。实验结果有效地证实了仿真模型的正确性。
关键词：感应电机；损耗；测试；有限元建模；PwM
0 引 言
感应电机设计与控制需要可靠的损耗及相应的温升计算，特别是当脉宽调制(PwM)逆变器驱动电机时。逆变器驱动感应电机提供许多优点，例如提高转速范围，在宽转速范围内提供大转矩能力，等等。但是，PwM逆变器的输出电压中含有大量的高次谐波，这些谐波会使得电机产生额外的损耗。这些损耗进一步的增加感应电机中的温度上升，会导致电机的性能下降。因此，考虑了损耗优化设计的感应电机将提供高效率和高功率密度。
但是，由于电机中的各种损耗，包括铜损耗、铁损耗和风阻与摩擦损耗受到很多斟素的影响，因此给测试和计算带来了一定的难度：本文针对电机损耗提出一种可行的测试方法，并在测试结果的基础上，建立了电机损耗有限元仿真模型。首先搭建了实验平台，在三相正弦波驱动电机的情况下，测得电机空载时的各种损耗。根据实验测试结果，在Maxwell仿真软件中建立了较精确的感应电机损耗2一D有限元仿真模型。在三相正弦波电源驱动负载电机和PwM波电源驱动空载／负载电机时，利用该有限元仿真模型和实验平台分别计算和测试了电机各种损耗。仿真模型的正确性由实验结果进行验证。
1 实验平台
实验电机实物图和基本参数分别为图1和表l所示。实验平台如图2所示，其中包括三相正弦波电源、变频器、高精度功率分析仪、感应电机、直流发电机以及连接到直流发电机输出端的直流电子负载仪。实线表示感应电机由正弦波电源直接供电，虚线表示PWM变频器供电。功率分析仪用来捕获电机的线电压和相电流，通过合理的连接，感应电机的输入功率可由功率分析仪直接求得。图3为电路连接方式，其巾udc与Ia连接到功率分析仪单元一的端口，udc与Ib连接到功率分析仪单元二的端口，功率分析仪每个单元将实时的显示出给单元输入电压和电流的功率，然后由式1便可求得电机的输入功率。另外，通过直流电子负载仪可方便的对实验进行加载。
2仿真模型
根据电机实物的结构尺寸在Maxwell中建立电机定子和转子，如图4所示。其实，由于电机是轴对称结构，为减少计算量，缩短运行时间，只取电机的1／4进行分析，如图5所示，从图中可见，该电机为双层绕绢电机。
图6为仿真软件自带外部电路，通过简单的设置，分别将LPhase A、LPhase B和LPhase C与图5中的电机模型三相绕组耦合，即可驱动电机进行瞬态仿真。同样，当电机为PWM电源驱动时，在外部电路巾，搭建逆变器电路，如图7所示。其中，图7右下角为控制电路，输出控制信号控制逆变器功率管的开通和关断。
3测试与仿真
3．1风阻和摩擦损耗
首先通过实验平台对感应电机和直流发电机的风阻与摩擦损耗进行测试计算，具体方法如下：
a直流电源驱动直流发电机，直流发电机与感应电机轴连接，感应电机空载。开通电源，直流发电机作为直流电动机拖动感应电机同步旋转，使感应电机旋转在额定转速，此时认为感应电机中只有风阻与摩擦损耗。测得直流发电机的输入功率为P1；b.切断直流发电机与感应电机轴连接，直流发电机独自空载旋转到相同的转速。测得直流发电机的输入功率为PLc因此，感应电机的风阻与摩擦损耗可由下式求得：
3．2三相正弦电源
正弦波电源驱动空载电机时，实验和有限元仿真中的线电压和相电流波形，两者的波形很好的吻合，这为实验和仿真结果的比较奠定了基础。
3．3其它情况下电机损耗
在三相正弦波电源驱动负载电机和PwM波电源驱动空载／负载电机时，利用有限元仿真模型和实验平台分别计算和测试了电机各种损耗。
图11为正弦波电源供电时，电机负载线电压和相电流。对比可知，仿真和实验的电压和电流的数值相同。另外对比图8，电机负载时，功率因数角明显减小，功率因数增大。图12和13分别为PWM电源供电下，电机空载和负载线电压和相电流，从中可知，电流中叠加有大量的高次谐波。
图14、15和16分别为正弦和PwM供电下的，仿真所得的电机铁损耗和定子绕组铜损耗。比较图10和14可知，在正弦波电源下，负载时的铁损耗大概是空载时的两倍。当逆变器驱动电机时，负载时的铁损耗大约是空载时的1 5倍。另外，空载运行时，PwM电源F的铁损耗是104 w，比正弦波供电F的铁损耗高出48．2 w。但是，当电机负载运行时，PwM中的谐波产生额外的铁损耗，铁损耗达到139．1 w，只比止弦波铁损耗的108w多了31.1 w。铜损耗与铁损耗有类似的结论。所有的仿真和实验损耗如表3和表4所示。
4结语
本文针对感应电机损耗搭建实验平台，进行实验测试，并在借助实验结果的基础上建立了较精确的2一D有限兀模型：在三相正弦波电源和PwM波电源驱动窄载／负载电机时，分别利用该有限元仿真模型和实验平台计算和测试_广电机各种损耗．实验结果有效地验证了仿真模型的正确性。通过本史对电机损耗的研究，可以为电机设计和控制提供一定的依据。 |
