氣隙對非晶合金電機性能影響分析

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(中車永濟電機有限公司，山西永濟044502)

0 引言

非晶合金是采用快速凝固技術，使合金中的原子來不及進行有序排列，保持無限狀態，堆積在一起，這種特殊處理方法不存在成分偏析和局部變形產生的晶界，因此妨礙磁矩轉動的壁壘能量較低，使得合金具有高的磁導率以及較小的矯頑力等優點，采用非晶合金作為電機鐵心材料，可使電機的效率得到很大提高、達到大幅度節約能量目的，對于解決今天能源危機和環境污染現狀非常重要。但是非晶合金材料相對普通硅鋼片，材料硬、脆而且薄的物理特性，使非晶合金鐵心加工工藝難度較大，目前成功產業化的電機是軸向磁通結構的永磁電機，這種電機存在三維磁場，需對其參數進行求解，因此推導電機氣隙磁密計算方法對于電機設計非常關鍵。

1 非晶合金電機

現階段，非晶合金電機研究面臨兩個難點：一是材料的選擇；二是電機鐵心的加工手段。目前非晶合金軟磁材料一共分四大類：鐵基、鐵鎳基、鈷基非晶合金以及鐵基納米晶合金，鐵基非晶體合金鐵損為硅鋼片的1/3,厚度為0.03mm，廣泛用于配電變壓器、逆變器鐵心，10kHz以下頻率環境應用；鐵鎳基非晶體合金磁性較弱，價格較貴，但是導磁率高，主要用在高要求的中低頻變壓器鐵心；鈷基非晶合金由于含有鈷，因此價格很貴，但是磁導率高，主要用在軍工場所的變壓器和電感器上；鐵基納米晶合金是超納米合金，主要用在接口變壓器和數字濾波器上。

非晶合金電機鐵心的加工方法有整體法和組合法兩種。整體法也有兩種方法，整體法(一)如圖1所示，將預成型的環形鐵心經過退火、浸漆和固化處理，再在銑刀的切削下加工成鐵心。整體法(二)如圖2所示，非晶帶材先切割成片狀，讓后疊加在一起，整體退火、浸漆、固化處理，最后切割成鐵心。

圖1 LE公司鐵心加工示意圖

圖2 鐵心加工示意圖

組合法是將非晶帶材疊加，然后切割成弓形非晶體塊，如圖3所示，最后將多個非晶體塊組合成鐵心。

圖3 弓形非晶體塊

2 氣隙磁密計算

本部分基于多環等效模型，在變頻器供電情況下，推導電機氣隙磁密計算方法，構建軸向磁通非晶合金永磁電機的鐵耗和諧波損耗的計算模型。

2.1 多環等效模型

圖4為永磁電機的一個單元電機，按徑向方向，將電機的電樞長度等分成N分，見圖5所示，取出其中一層并展開成二維模型，見圖6，通過解析法計算氣隙磁密，在二維模型基礎上推導定、轉子鐵心損耗的計算方法，見圖7將每環的損耗密度進行積分，最終得出N環的總鐵耗和諧波損耗。

圖4 一個單元電機模型

圖5 分層模型

圖6 二維模型

圖7 每環的損耗模型

2.2 氣隙磁密計算

2.2.1 定子繞組磁動勢

本文基于單相逆變電路，分析PWM 逆變器的輸出相電壓，推導了加載在電機繞組兩端時繞組內電流，將電流波形作為激勵源，計算其產生的定子繞組磁動勢和氣隙磁密。如圖8所示，單相PWM逆變電路，其中UC載波，U1調制波。

變頻器輸出的單相電壓uφ(t)可表示為

(1)

對uφ(t)進行傅立葉分解，經整理可得

(2)

式中，NCω—載波角頻率，NC—載波比，第一項是輸出電壓基波，第二項是輸出電壓諧波。

將n分為奇數和偶數兩類情況，對諧波電壓進行討論。

根據電壓平衡方程式

(3)

忽略電機負載以及內部損耗影響，根據式(1)、式(2)、式(3)可整理出變頻器供電時，電機定子繞組內三相電流如下

(4)

相繞組磁動勢為

(5)

因此，合磁動勢為

(6)

2.2.2 永磁體勵磁磁動勢

永磁體產生的氣隙磁動勢如圖9所示，為

(7)

圖9 氣隙磁動勢

2.2.3 氣隙磁導

本文采用文獻[2]中的卡特系數Kcm

(8)

計算一個齒距下的氣隙磁密，再將電機氣隙磁導λ、氣隙磁密b和磁動勢f帶入，得出氣隙磁導表達式，最后進行傅里葉級數展開，可得出氣隙磁導為

(9)

式中，n—磁導諧波次數；Z1—定子槽數。

2.2.4 氣隙磁密

根據磁路分析原理，永磁電機的氣隙磁密為

b(θ,t)=[fs(θ,t)+fm(θ,t)]λ(θ)

(10)

3 氣隙長度對鐵耗影響

3.1 對定子繞組磁動勢諧波的影響

依據磁路分析，計算電機電感參數隨氣隙長度的變化關系，如圖10所示為7kW軸向磁通非晶合金永磁電機，隨著氣隙長度增加電感下降，大約下降45%。

圖10 電感參數與氣隙長度關系

氣隙長度不同引起的電感參數變化，導致定子繞組對 PWM 逆變器輸出的高次諧波電壓產生的抑制效果出現差異，定子繞組的高次諧波電流幅值不同，研究7kW軸向磁通非晶合金永磁電機，結果顯示如圖11，當氣隙長度增加，定子繞組中電流諧波幅值變大，電流波形畸變率增加。

圖11 電流波形畸變率與氣隙長度關系

圖12 定子繞組諧波電流幅值與氣隙長度關系

諧波電流會產生諧波磁動勢，兩者呈線性正比例關系，同時諧波磁動勢在電機氣隙內產生諧波磁密，如圖13所示，定子繞組諧波磁動勢引起的氣隙磁密幅值隨氣隙長度的變化關系，當氣隙長度的變大，氣隙磁密諧波幅值下降。

圖13 氣隙磁密諧波幅值與與氣隙長度關系

3.2 對鐵耗影響

計算了7kW軸向磁通非晶合金永磁電機,結果如圖14所示,氣隙長度增加，由永磁體勵磁磁動勢諧波引起的定子鐵心損耗和氣隙磁導諧波產生的永磁體渦流損耗皆呈現下降規律。

圖14 損耗與氣隙長度關系

4 結語

節能環保已經是全球共同需要解決的問題，面對日益萎縮的能源，高效節能的電機必然成為發展所趨，在此，非晶合金電機在這些方面存在著巨大的潛力，只有充分發掘其節能環保的特點及優點，才能更好地服務于本行業的發展。