国家重点研发计划（2016YFB0300503）、国家自然科学基金（51307111）和辽宁省教育厅科学研究（LGD20160006）资助项目，沈阳工业大学国家稀土永磁电机工程技术研究中心的研究人员佟文明、王云学、贾建国与唐任远，于2018年12月在《电工技术学报》（Transactions of China Electrotechnical Society）上发表了题为《变频器供电内置式永磁同步电机转子损耗计算与试验》（Calculation and Experimental Research on the Rotor Loss of Interior Permanent Magnet Synchronous Motors with Converter Supply）的研究论文。

该研究属于电气工程领域，聚焦于电机设计与热管理方向。随着内置式永磁同步电机（Interior Permanent Magnet Synchronous Motor， IPMSM）在新能源汽车、电主轴等高性能驱动领域应用的日益广泛，其高转矩密度带来的高损耗密度问题，尤其是在变频器（Inverter）供电条件下因电流时间谐波导致的转子损耗急剧增加和严重温升，成为了威胁电机运行安全性与可靠性的关键瓶颈。现有研究虽然在表面式和内置式永磁电机的损耗计算与分布规律方面取得了一定成果，但对于内置式永磁同步电机，特别是其永磁体损耗的精确实验测试方法和细致的损耗分布规律，仍有待深入。因此，本研究旨在通过有限元仿真与创新性实验相结合的方法，深入探究两种不同转子磁极结构（“V”型和“V−”型）内置式永磁同步电机在变频器供电下的损耗与温升特性，并重点提出并验证一种分离永磁体损耗的试验方法，为电机的高可靠性设计提供理论依据和数据支持。

本研究的工作流程系统而严谨，主要包括以下几个步骤：

研究流程一：有限元建模与损耗计算分析。 首先，研究团队以两台定子完全相同、仅转子磁极结构不同的10kW内置式永磁同步电机为研究对象（“V”型和“V−”型）。利用二维时步有限元软件计算铁心中的磁场，基于麦克斯韦方程求解矢量磁位，进而获得铁心磁通密度，并采用经典的铁耗分离模型（即涡流损耗与磁滞损耗之和）计算定、转子铁心损耗。对于永磁体涡流损耗，则采用三维时步有限元软件进行计算，通过求解涡流密度在永磁体体积内的积分来获得。这一步骤的研究对象是两台电机的数字化模型。通过仿真，系统分析了在不同供电条件（正弦波与变频器供电）、不同内功率因数角（影响电枢磁场）、以及不同变频器参数（开关频率fc与调制比a）下，两台电机的定子铁心损耗、转子铁心损耗和永磁体涡流损耗的大小与分布规律。特别地，研究分析了变频器供电电流的谐波频谱，指出开关频率附近的高次谐波是引起附加损耗的主要原因。

研究流程二：温度场仿真分析。 基于第一步计算得到的各部件损耗（作为热源），研究团队进行了电机稳态温度场的仿真。他们建立了包含机壳、定子、绕组、转子、永磁体、轴承及冷却水道的1/8对称三维模型，并进行了结构化网格剖分。模型中考虑了气隙的等效导热、槽内材料的等效处理等简化假设。边界条件方面，通过流场计算确定了水冷壁面的对流换热系数，并根据经验公式计算机壳与端盖的自然对流散热系数。将第一步中获得的、在不同工况下的各部件的生热率（如绕组铜耗、铁耗、永磁体损耗等）加载到对应区域，利用计算流体力学与传热学软件进行求解，最终获得了“V”型和“V−”型电机在正弦波及变频器供电下，绕组和永磁体的三维温度分布云图，从而预测了最热点的位置与温升值。

研究流程三：实验测试与损耗分离。 这是本研究的创新与核心验证环节，旨在通过物理实验获取真实数据，并与仿真结果进行对比。实验对象为“V”型电机的实体样机（由于“V−”型电机永磁体薄、空间限制，未进行永磁体测温）。实验主要包括三部分：1) 机械损耗分离：制造了一个与原电机转子外形尺寸和质量完全相同的无磁性假转子，替换真实转子后，用一台伺服电机反拖该假转子电机至不同转速。通过测量伺服电机在拖动假转子负载时的输入功率与自身空载输入功率，两者相减即得到被测电机在不同转速下的机械损耗，并拟合出机械损耗与转速的关系式，最终得到额定转速下的机械损耗值为16.23W。2) 永磁体损耗分离与温升测试：本研究提出并应用了一种创新的方法——在转子隔磁桥间隙处埋置无线测温元件。该装置由粘在永磁体侧面的测温探头、固定在电机轴上的无线信号发射器以及外部的接收显示装置构成。在变频器供电满载运行时，快速加载并保持恒定转速与负载，实时记录永磁体温度随时间变化的曲线。根据初始短时间内（热量主要用于升温，散热可忽略）的温升速率、永磁体质量及其比热容，通过公式 ( p_m = m cp (d\theta/dt){t=0} ) 计算得到永磁体的涡流损耗实验值。测试得到“V”型电机在所述工况下永磁体损耗约为88W。3) 总损耗与温升测试：在电机端部放置热电阻测试绕组温升，并结合电参数测试得到总损耗。从测试总损耗中，依次减去计算得到的绕组铜耗、实验得到的机械损耗和永磁体损耗，即可分离出铁心损耗的实验值。

研究流程四：数据对比与验证。 将第二步有限元仿真计算得到的“V”型和“V−”型电机的各部分损耗（铁耗、永磁体损耗）以及永磁体和绕组的稳态温升值，与第三步实验测试得到的“V”型电机的对应结果进行详细对比，分析其差异与吻合程度，从而验证仿真模型的准确性与所提出实验方法的可行性。

本研究获得了系统且明确的结果。在损耗计算与分布方面：仿真结果表明，变频器供电时，两种电机的转子铁心与永磁体总损耗比正弦波供电时增大约70%，其中永磁体涡流损耗分布呈现表面高、内部低，边缘高、中间低的特点。提高变频器开关频率或增大调制比，均可有效降低转子损耗。“V−”型电机在变频器供电下的定子铁心损耗略高于“V”型，但其永磁体涡流损耗略低于“V”型，两者转子总损耗相近，“V”型略高约4%。增大内功率因数角可降低电枢反应磁场，从而使转子总损耗下降约10-11%。在温升仿真方面：温度场仿真结果显示，变频器供电下永磁体成为电机的温度最高点，“V”型电机永磁体最高温升可达126.2K，比正弦波供电时高出53.4K以上，这与损耗大幅增加且转子散热困难的分析一致。在实验验证方面：关键的实验数据对比显示，“V”型电机永磁体涡流损耗的实验值（88W）比仿真值小4.2%，永磁体温升实验值与仿真值相差5.1%，绕组温升相差3.9%。这些误差在工程可接受范围内，且损耗实验值略偏小的原因被合理解释为初始时刻永磁体已有少量热量散失。这有力地证明了有限元仿真方法用于预测变频器供电下IPMSM损耗与温升的可靠性，以及所提出的无线测温结合初始温升率法的有效性，能够成功分离出内置式转子中永磁体的损耗。

基于以上研究结果，论文得出了明确的结论：第一，变频器供电的电流时间谐波会显著增加内置式永磁同步电机的转子损耗（增幅超过60%）和永磁体温升（增幅超过70%，稳态温升可达140K），在设计时必须予以重视并采取抑制措施。第二，对于所研究的特定电机，“V−”型与“V”型转子磁极结构在变频器供电下的转子总损耗相近，“V”型略高。第三，通过有限元仿真可以较准确地预测电机的损耗与温升分布，而本文提出的基于无线测温的永磁体损耗实验分离方法，为解决内置式永磁电机转子局部损耗难以直接测量的问题提供了有效的技术途径。

本研究的价值体现在科学与应用两个层面。在科学价值上，它深入揭示了变频器供电参数（开关频率、调制比）、电机运行参数（内功率因数角）以及转子磁极结构对IPMSM内部损耗（尤其是永磁体涡流损耗）分布与大小的影响规律，丰富了该领域的理论知识体系。在应用价值上，其建立的仿真与实验验证闭环，为工程师在设计阶段精准评估与优化变频驱动永磁电机的热性能和可靠性提供了可靠的工具和方法。所提出的永磁体损耗原位测试方法，对高功率密度电机的实验研究具有重要的借鉴意义。

本研究的亮点突出。首先，研究方法的创新性：创造性地将无线测温技术应用于旋转的内置式永磁体温度直接测量，并利用初始瞬态温升斜率来分离永磁体涡流损耗，解决了该类型电机转子内部关键部件损耗难以直接测量的工程难题。其次，研究内容的系统性：从电磁场仿真（损耗计算）到温度场仿真（温升预测），再到完整的实验验证（机械损耗、永磁体损耗、铁耗的分离与温升测试），形成了完整的研究闭环，结论可信度高。最后，研究对象的对比性：通过对比“V”与“V−”两种典型转子磁极结构在相同条件下的表现，得出了具有实践指导意义的结论，而非针对单一结构的泛泛而谈。

此外，文中还提供了一些有价值的细节，例如对变频器供电电流谐波成分的实测与分析，指出开关频率附近的边带谐波是主要影响因素；在温度场仿真中，对电机模型进行了合理的简化与等效，并对网格进行了细化剖分，以提高计算精度与效率；在机械损耗测试中，采用假转子法排除了电磁因素，方法巧妙。这些细节都体现了研究工作的细致与严谨。