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高速永磁同步电机多物理场因素铁损计算方法研究

第一作者及机构
该研究由IEEE会员Guangwei Liu（沈阳工业大学电气工程学院）、Meiyang Liu（珠海格力电器有限公司）、IEEE学生会员Yue Zhang（英国诺丁汉大学）、IEEE会员Huijun Wang（北京航空航天大学）及IEEE会员Chris Gerada（英国诺丁汉大学）合作完成。研究成果发表于2020年7月的《IEEE Transactions on Industrial Electronics》第67卷第7期。

学术背景
高速永磁同步电机（High-Speed Permanent Magnet Synchronous Motors, HSPMSMs）因其高功率密度、紧凑尺寸和高效率等优势，广泛应用于气体压缩机、涡轮增压等领域。然而，其高转速导致的复杂磁场（旋转磁化和谐波）、高频效应、温度上升及机械应力等因素，使得铁损（iron loss）计算面临严峻挑战。传统铁损分离模型（Bertotti模型）未充分考虑多物理场耦合效应，导致计算精度不足。本研究旨在提出一种综合多物理场因素（磁场、温度场、应力场）的铁损计算模型，以提高HSPMSM铁损预测的准确性。

研究流程
1. 模型构建
- 基础模型：基于Bertotti铁损分离模型，将铁损分为磁滞损耗（hysteresis loss）和涡流损耗（eddy current loss），忽略附加损耗以简化计算。
- 磁场效应扩展：引入旋转磁化（rotating magnetization）和谐波影响，通过椭圆轨迹等效正交交变磁化，提出高频修正系数（式4）以表征集肤效应（skin effect）。
- 温度效应扩展：通过实验数据拟合温度系数（式6-7），修正硅钢片电阻率随温度的变化。
- 应力效应扩展：分析压缩应力对磁畴重构的影响，提出应力相关损耗系数（式8）。
- 多物理场耦合模型：基于相关性分析（图1），将应力与磁滞损耗系数、温度与涡流损耗系数关联，建立综合模型（式10）。

1. 有限元分析（FEM）

   • 研究对象：一台极对数2、槽数24的HSPMSM原型机（表1），最高转速30,000 r/min。
     
   • 磁场分析：选取定子齿顶、齿中、齿根特征点（图4），通过傅里叶分解验证谐波占比（图6），发现三次谐波含量达48%。
     
   • 温度场分析：采用双热源热路法模拟定子温度分布（图7），最高温度126.5°C。
     
   • 应力场分析：基于厚壁筒理论计算静态过盈量（式11），有限元结果显示槽底应力最大（114.32 MPa），轭中部最小（4.55 MPa）（图8）。

2. 实验验证

   • 硅钢片测试：采用单片测量法（图9），测试条件覆盖频率50 Hz–1 kHz、温度20–200°C、应力0–100 MPa。
     
   • 系数拟合：基于Levenberg-Marquardt算法拟合损耗系数（表II-IV），发现磁滞损耗系数主要受应力影响，涡流损耗系数与温度、频率强相关。
     
   • 误差分析：多物理场模型在硅钢片测试中的平均绝对误差低于5%（图10-12）；在电机原型测试中（图17），其计算结果比传统分离模型更接近实测值（图18）。

主要结果
1. 模型精度：多物理场模型的铁损预测误差显著低于传统模型，硅钢片测试误差<5%，电机测试误差进一步验证其适用性。 2. **影响因素量化**：磁场效应（旋转磁化+谐波）使铁损增加最多（图16），温度上升降低铁损，应力>40 MPa后影响趋缓。
3. 系数特性：高频下涡流损耗系数递减（表II），温度系数随温度升高非线性下降（表III），应力对磁滞损耗的饱和效应显著（表IV）。

结论与价值
1. 科学价值：首次将磁场、温度、应力三场耦合效应纳入铁损模型，揭示了多物理场交互作用的定量规律。
2. 应用价值：为HSPMSM优化设计提供高精度铁损计算工具，尤其适用于高功率密度电机的热管理和机械可靠性设计。
3. 工程指导：研究指出需重点抑制谐波磁场（如优化绕组设计），并通过控制装配应力（如过盈量优化）降低铁损。

研究亮点
1. 方法创新：提出基于相关性分析的多物理场解耦建模策略，避免传统耦合模型的复杂性。
2. 实验验证全面性：覆盖硅钢片单材料至电机整机的多尺度验证，增强结论普适性。
3. 工程实用性：模型参数（如温度系数kt、应力系数kh(σ)）可直接用于同类电机设计。

其他有价值内容
- 附录中提供的有限元仿真细节（如边界条件设置）为后续研究提供了可复现的建模范例。
- 作者团队开发的磁特性测试系统（图9）支持自定义频率-温度-应力组合，可用于其他材料研究。

以上报告完整涵盖了研究的背景、方法、结果与价值，符合学术交流的深度要求。