近日，针对分数槽集中绕组轴向磁场永磁电机丰富的时间和空间谐波引起较高的涡流损耗，高性能电机及先进电源系统课题组王晨副教授在交通电气化领域顶级期刊《IEEE Transactions on Transportation Electrification》（中科院1区，影响因子8.3）发表两篇研究论文，题目分别为“Research, Analysis and Optimization of Welding Eddy Current Loss for AFPM Propulsion Machine with Yokeless and Segmented Armature”、“Analytical PM Eddy-Current Loss Prediction in Axial Flux PM Machine by Considering Time and Space Harmonics”。第一署名单位均为安徽工程大学。
论文围绕轴向磁场永磁电机涡流损耗产生机理、精细化建模、抑制方法等核心问题开展研究，探究了时-空谐波对涡流损耗的影响规律，建立了考虑集肤效应和永磁体分段的涡流损耗高精度涡流场计算模型，并提出了基于涡流传递路径的损耗高效抑制策略，将分数槽集中绕组轴向磁场永磁电机的效率提升至95.6%以上，高效区面积拓宽12%以上。最后，试制样机，并搭建测试平台，测试结果验证所提方法的正确性和有效性。
主要创新点：相关研究针对轴向磁场永磁电机中的两类关键损耗问题展开研究——焊接工艺诱发的定子铁心涡流损耗与时空谐波引起的永磁体涡流损耗，两种损耗的研究技术路线分别如图1和图2所示，实现了从损耗机理揭示、解析模型建立、关键参数优化到新型工艺的全链条创新。在理论层面，首次揭示了焊缝对定子铁心涡流损耗的影响规律，基于趋肤效应推导了焊接涡流损耗的解析模型，同时针对永磁体涡流损耗，创新性地建立了考虑时间和空间谐波耦合影响的径向分段永磁体涡流损耗计算模型，并通过等效电阻电路修正了计算误差，从而分别突破了焊接定子铁心涡流损耗和永磁体涡流损耗的快速预测难题。在方法层面，通过建立精细化涡流场有限元模型，揭示了损耗的分布规律，在此基础上，提出了损耗的有效抑制方法，上述成果均通过30kW样机进行实验验证。在应用前景上，两项成果相辅相成：自粘结定子铁心可有效替代传统焊接工艺以降低定子侧涡流损耗，而永磁体径向分段损耗预测模型为转子侧低损耗拓扑设计提供了快速优化设计工具，为轴向磁场永磁电机在高功率密度、高谐波工况下的高效运行提供了从定子到转子的损耗抑制方案，在提升电机效率、降低温升及增强可靠性运行方面具有重要的工程价值。
图1 焊接定子铁心损耗抑制技术
图2 永磁体涡流损耗快速计算方法
论文原文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/11465163