定子槽内扁线高频激励下的涡流损耗实验

跑不出路的光

求助！
测量定子槽内扁线高频激励下的涡流损耗。
Maxwell 2D和3D仿真都做了，两个情况下，扁线的Ohmic_loss几乎一致。
施加激励电流为100A，1kHz时，槽内两层绕组的损耗分别为 （如图，程序在附件中）
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2022-9-27 15:30 上传

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三维涡流场

现在想做实验验证一下，用交流电流源施加激励，1kHz

电流源设置

电源（A相，红线）夹电流钳，黑线接N极，电流源设定为AC 单相输出。

测量实验连线

因为电源是恒压源，当设定1V电压后，电流达到 42A后，电压不在上升停留在0.68。

扁线两端夹测量电压的鳄鱼夹，A相的电流钳连接功率分析仪（日置PW6001）。
测量结果如下：


UDF1为Z=U/I;
UDF2为SetaU-SetaI 电压电流相位差;
UDF3为 X= Z*sin(UDF2);
UDF4为 X= Z*cos(UDF2);
UDF7为P/(I^2);
之前很少做实验，缺少经验。在此虚心请教各位，望指教！非常感谢！

zengxiaodong

你这个测量方法是错误的!

错误之处在于不能用空心的转子，也就是定子转子都要有才行，而且转子假如是永磁的话，测试时需要把永磁体用钢代替，这样才能尽可能模拟电机实际工作状态，尤其是模拟出槽内切割磁力线的实际情形。

跑不出路的光

zengxiaodong 发表于 2022-9-27 16:07
你这个测量方法是错误的!

错误之处在于不能用空心的转子，也就是定子转子都要有才行，而且转子假如是永 ...

嗯嗯，是的，为了模拟电机工作时的损耗，必须要考虑转子气隙磁场带来的影响，我想着用静止的凸极转子产生正弦磁场，进行整体的分析。
目前想着把两部分拆分开，毕竟从磁场来看，两种磁场是正交的。如果只是考虑定子绕组高频电流下的绕组内损耗，这样的方法可行吗？谢谢

zengxiaodong

跑不出路的光 发表于 2022-9-27 16:34
嗯嗯，是的，为了模拟电机工作时的损耗，必须要考虑转子气隙磁场带来的影响，我想着用静止的凸极转子产生 ...

啥是正交？啥是反交？这个我可不懂，我只懂切割磁力线。


没有转子时，切割磁力线是从两侧同时向导线中心切割，甚至从四周同时向中心切割，此时，就会产生集肤效应，也就是扁线的四个表层电流密度大；


而有转子时，切割磁力线的模式是磁力线几乎平行扫过扁线，产生的是挤流效应，也就是扁线中沿电机径向电流分布不均匀（切向基本均匀）。

跑不出路的光

zengxiaodong 发表于 2022-9-27 16:54
啥是正交？啥是反交？这个我可不懂，我只懂切割磁力线。

您说的在无转子时的集肤效应，在无转子时，槽内导体的电流密度回出现沿槽深方向的分层，这个图是一篇论文里面的，磁力线可以认为是垂直槽壁，平行槽口，穿过导体。

有转子时，您说的挤流效应，我不是很清楚，有人分析了转子磁场的影响，如图，磁力线近似垂直槽口进入导体，这也就跟上面的情况垂直（正交），电流密度出现周向的分布不均匀，不知道您说的是不是这种情况。

我想把这两者分开来验证，不知道可不可行。谢谢您

zengxiaodong

跑不出路的光 发表于 2022-9-27 17:56
您说的在无转子时的集肤效应，在无转子时，槽内导体的电流密度回出现沿槽深方向的分层，这个图是一篇论文 ...

你肯定不相信，你引用的图都是错误的！

尤其是电密分布倒抛物线形状更是错得离谱了。


下面是Prius2010在负载下的磁力线动画，电动状态、发电状态，注意槽内切割磁力线的细节。

跑不出路的光

zengxiaodong 发表于 2022-9-27 18:18
你肯定不相信，你引用的图都是错误的！

尤其是电密分布倒抛物线形状更是错得离谱了。

您发的这张图跟我说的是一样的呀，槽内磁力线平行槽口穿过导体，槽口处磁力线近乎垂直进入定子槽。
倒抛物线是怎么来的？图中的横轴是槽深方向的尺寸啊。
附图是汤蕴醪老师在1998年出版的《电机内的电磁场》一书中，对槽内导体电流密度分布的描述。

我可能有描述的不清楚的地方，让人误解了，希望能与您更多的交流沟通，谢谢！

zengxiaodong

跑不出路的光 发表于 2022-9-27 18:54
您发的这张图跟我说的是一样的呀，槽内磁力线平行槽口穿过导体，槽口处磁力线近乎垂直进入定子槽。
倒抛 ...

你引用的汤著图形，恰好印证了我在4楼说的问题。


汤著模型恰恰就是像你试验那样的情形，也就是只有定子没有转子，且定子线圈单边励磁。假如只有2层导体，那就会出现磁力线从4周同时向上层导体的中心切割的情形，也就是出现集肤效应。

实际电机是不会这样切割磁力线的，一方面存在转子（导磁）区域，另外一方面转子提供部分甚至全部励磁（例如永磁同步电机），此时，挤流效应更占优势。

跑不出路的光

zengxiaodong 发表于 2022-9-27 19:55
你引用的汤著图形，恰好印证了我在4楼说的问题。

嗯嗯，是的呢。我仿真及计算的结果也得到转子的影响，也就是您说的挤流效应更明显。后面我也会去做相应的实验。
汤老师书中提到的理论，是否可以实验验证呢？又该如何验证呢？谢谢！

zengxiaodong

旋转磁场和脉振磁场又有很大的不同，而电机中都是旋转磁场。

另外、汤著中层数为2、3时比较特殊（非单调变化），层数大于4以后单调变化，且层数越多，越趋近于无涡流效应的恒稳磁场。

跑不出路的光

zengxiaodong 发表于 2022-9-28 07:53
旋转磁场和脉振磁场又有很大的不同，而电机中都是旋转磁场。

另外、汤著中层数为2、3、4时比较特殊（非 ...

您说的没错，涡流效应随着槽深方向减弱，我想在也就是很多深槽电机的设计原因。

因为还在摸索，所以想着用实验的方法，尝试验证一下。

zengxiaodong

跑不出路的光

zengxiaodong 发表于 2022-9-28 10:35

您提到的内容，我已学习过，也对二维的涡流方程进行了求解，求解结果与仿真结果一致。现在就想着通过实验进行最后的验证。谢谢

zengxiaodong

在槽形宽且浅时，如果槽口也很宽的话，就会出现磁力线径向深入槽内的情形。

跑不出路的光

zengxiaodong 发表于 2022-9-28 14:17
在槽形宽且浅时，如果槽口也很宽的话，就会出现磁力线径向深入槽内的情形。

受益匪浅！感谢！

zengxiaodong

跑不出路的光 发表于 2022-9-27 18:54
您发的这张图跟我说的是一样的呀，槽内磁力线平行槽口穿过导体，槽口处磁力线近乎垂直进入定子槽。
倒抛 ...

在2层导体时，如果电流分布不是特别不均匀（上层靠槽口部3倍、上层靠槽底处-1.0倍平均电密），则其切割磁力线的模式几乎与无数层的一样，见下面动画演示。






在2层导体时，如果电流分布特别不均匀（上层靠槽口部10倍、上层靠槽底处-8.0倍平均电密），则其切割磁力线的模式才会出现迥然不同，见下面动画演示。

跑不出路的光

zengxiaodong 发表于 2022-9-29 18:11
在2层导体时，如果电流分布不是特别不均匀（上层靠槽口部3倍、上层靠槽底处-1.0倍平均电密），则其切割磁 ...

是的，再次非常感谢！

电流分布的不均匀性，与电流的频率密切相关，也低频时涡流效应不存在或是很小，对磁场的影响也不大，高频时，涡流效应明显，电流分布不均匀变得明显。
1kHz时，由于电流分布不均匀导致的损耗，上下层差一倍左右，磁场的分布也因此出现与低频时的差异。

herrwitz

作为一个搞高速电机的有几个槽不吐不行：

    - 你这测的跟你的仿真也没啥关系啊。。。仿真里面都已经给定每个导体固定的电流了，你测的时候怎么保证这一点的？如果首端末端焊到一起了的话那这就更没意义了，等于没分成俩导体。

    - 假设你仿真的设置没错，那一个槽里的两个导体应该是串联了吧？不然不会是一个电流。但是你通电的方式又像是并联？

    - 曾老师说的也有问题。实际上对于正确的测量来说，带不带转子差别不大。这个东西我用外电路仿过，证明确实差别不大。

    - 你引用的图没啥问题。如上所述，带不带转子电流密度分布差别不大。

    - 搞高频铜耗理论的话一般都知道分成的是两类高频损耗。第一类是环流损耗，第二类是涡流损耗。所谓的集肤效应和挤流效应都是在第二类的范畴。你这个仿真和测量只能看第二类高频损耗。

    - 假如你的绕组有多匝，每匝有多个子导体的话，要仿真只能用外电路。测量的话要用一个完整的线圈，用电流钳分别测子导体的电流，这就直接能观测到第一类损耗。对于第二类损耗一般仿真就足够准确了，测量不好测。就算有测功仪，也会有铁耗误差在里面。

    - 深槽电机有很多不得已的原因，但是绝对不是因为高频损耗小。举个例子，高速电机为了避免转子涡流一般把定子磁动势做得正弦一点，就导致槽比较多，面积又有限，那就只能往深走了。深槽有漏感高的优/缺点，但是一定会让高频损耗升高。正确的表述应该是对于给定深度的槽，绕组越坐落在槽底交流损耗就越小。

建议少看仿真多看理论，迷信仿真不可取！

zengxiaodong

herrwitz 发表于 2022-9-30 04:52
作为一个搞高速电机的有几个槽不吐不行：

    - 你这测的跟你的仿真也没啥关系啊。。。仿真里面都已经给 ...

你说楼主引用的图没问题，那我不妨问你一个问题，图中电流密度，究竟指的是总电流密度，还是仅含涡流密度？

herrwitz

zengxiaodong 发表于 2022-9-30 07:39
你说楼主引用的图没问题，那我不妨问你一个问题，图中电流密度，究竟指的是总电流密度，还是仅含涡流密度 ...

图里面的是总电流密度的有效值/峰值，曾老师不知道？