非晶合金電機空載鐵耗研究

王凱東，孫寧

?

非晶合金電機空載鐵耗研究

王凱東，孫寧

（沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110876）

為了體現非晶合金低損耗性能的優越性，對一臺15 kW、1 000 Hz電機進行空載鐵耗仿真計算分析，電機定子鐵心為非晶合金材料，定子鐵心采用浸漆、固化加工工藝。電機空載鐵耗的計算主要包括非晶定子基本鐵耗的分離以及空載雜散損耗的計算，得出了非晶合金電機雜散損耗是基本鐵耗的6.03倍。

非晶合金；永磁電機；空載鐵耗；軟磁材料

1 引言

非晶合金材料是新型軟磁材料，能夠節省普通冷軋金屬制造工藝的部分工藝，節約能源，數據推算生產1 kg非晶合金材料比生產相同質量的冷軋硅鋼片能夠節約1 L石油。非晶合金帶材的磁導率在約為普通硅鋼的6倍，與傳統的硅鋼材料相比較其電阻率更高，厚度更薄，用作鐵心材料能夠將鐵損降低70%～90%，因此用非晶合金材料作電機鐵心能夠提高電機的效率。本文針對一臺15 kW、1 000 Hz采用非晶合金定子的電主軸電機進行分析，分離了電機的空載基本鐵耗，綜合考慮旋轉磁場和交變磁場的影響，分析并計算了定子鐵心損耗，總結了鐵耗修正系數，能夠為非晶合金永磁電機設計提供借鑒。

2 空載鐵耗分析方法

根據諧波分析原理，電機內任意點磁通密度的波形可以分解為一系列諧波分量，任意磁場的波形下產生的鐵耗等于其基波和各次諧波分量產生的鐵耗之和。對于次諧波的橢圓形旋轉磁場，能夠分解為長軸磁通密度為vmax、短軸磁通密度為vmin的兩個交變磁場，橢圓旋轉磁場產生的損耗可以等效為兩個正交的交變損耗。

定子鐵心磁滯損耗為：

經典渦流損耗為：

式（1）（2）中：h為磁滯損耗系數；e為經典渦流損耗系數。

通過時步有限元法對磁場分析，得到定子鐵心單個周期內各個單元磁通密度矢量的變化，由式（1）和式（2）得到第個單元單位質量鐵心鐵耗如下：

j=hj+ej. （3）

總鐵耗等于各單元的鐵耗之和，公式為：

式（4）中：為鐵心長；j為第個單元的單位質量鐵心損耗；為鐵心疊片密度；△j為第個單元的面積。

根據三維渦流場有限元分析，假設電機內部電磁場是準靜態場，如果忽略位移電流和定子電樞繞組電流的不均勻效應，根據麥克斯韋電磁理論可以建立電機三維瞬態電磁場模型，得到永磁體內的渦流密度表達式：

式（5）中：為電流密度；為電導率；，為標量磁位與矢量磁位。

進而得出永磁體內渦流損耗為：

式（6）中：為計算時間；為永磁體體積。

3 非晶合金電機空載鐵耗計算

非晶合金帶材的厚度僅為0.025 mm，鐵耗模型的損耗系數與硅鋼片不同，而且經過加工的非晶合金鐵心損耗系數會發生較大變化。因此，首先根據鐵耗分離模型，通過最小二乘法對多個頻率下非晶合金鐵心鐵耗系數做非線性擬合，如圖1所示。由非線性擬合分析結果得出相應的損耗系數：磁滯損耗系數h=9.688×10-3，渦流損耗系數e=1.563×10-5.

3.1 定轉子鐵心損耗

通過有限元方法分析非晶合金電機鐵心損耗，如圖2所示。由圖2可以得出，施加空載電流時產生的定、轉子鐵心損耗為97.67 W，其主要包括空載電流諧波引起的損耗增量、定子開槽引起氣隙磁導不均勻所引起的損耗增量、永磁體磁場空間分布非正弦所引起的損耗增量以及加工后引起的損耗增量。

圖1 非晶合金鐵心損耗系數擬合曲線

圖2 空載定轉子鐵心損耗

3.2 永磁體渦流損耗

對非晶合金電機永磁體渦流損耗進行三維有限元分析，結果如圖3所示。

圖3 永磁體渦流損耗

由圖3可以得出，施加空載電流時產生的永磁體渦流損耗為8.86 W，主要為空載電流諧波引起的損耗增量和定子開槽引起氣隙磁導不均勻引起的損耗增量。

3.3 結構件中的渦流損耗

本文為了研究非晶合金修正系數，計算了電機臨近結構件損耗，該損耗主要由于電機漏磁場引起，利用有限元對電機端蓋、機殼、擋板、軸承進行計算，得到在結構件中損耗為12.90 W。

通過對非晶電機不同部分空載時的損耗進行分析，得到電機空載的損耗分布如表1所示。從表1計算結果可以看出，電機空載總損耗為120.99 W，而基本鐵耗為20.05 W。非晶定子鐵心采用浸漆、固化加工工藝時空載損耗是非晶基本鐵耗的6.03倍，用非晶帶材計算鐵耗時，鐵耗的修正系數與硅鋼片的修正系數不同，非晶合金的鐵耗修正系數相比較硅鋼片大得多。

表1 非晶電機各部分空載損耗表

損耗位置定子鐵心轉子鐵心永磁體結構件 損耗/W97.671.588.8412.90

4 結論

通過對非晶合金電機和硅鋼片電機空載鐵耗的仿真計算，得到非晶合金電機的空載鐵耗為電機基本鐵耗的6.03倍，非晶合金鐵耗的修正系數已不同于硅鋼電機。

［1］張廣強，周少雄，王立軍，等.非晶電機的優勢及其研究進展［J］.微特電機，2011，39（3）：73-75.

［2］王立軍，張廣強，李山紅，等.鐵基非晶合金應用于電機鐵心的優勢及前景［J］.金屬功能材料，2010，17（5）：58-62.

［3］Zhuonan Wang，Enomoto Y， Ito M.MZhuonan Wang.Development of a Permanent Magnet Motor Utilizing Amorphous Wound Cores［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2010，46（2）：570-573.

［4］WANG，Z.Development of an Axial Gap Motor With Amorphous Metal Cores［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2011，47（3）：1293-1299.

［5］Z wang，Y Enomoto，K Souma，et al.Development of a High Speed Motor Using Amorphous Metal Cores［C］//8th International Conference on Power Electronics，The Shilla Jeju Korea，2011.

［6］Andrew D.Hirzel.Synchronous Design Frequency as a Free Variable in Permanent Magnet Brushless Motors in Effort to Achieve Optimal Torque Density［C］//Proceeding of international conference on electrical machines and system，Seoul Korea，2007.

［7］Akira Chiba，Hiroaki Hayashi，Kensaku Nakamura.Test Results of an SRM Made From a Layered Block of Heat-Treated Amorphous Alloys［J］.IEEE Transactions on Industry Applications，2008，44（3）：699-705.

［8］Maria Dems.The highly efficient three-phase small induction motors with stator cores made from amorphous iron［J］.The International Journal for Computation and Mathematics in Electrical and Electronic Engineering，2004，23（3）：625-632.

［9］Maria Dems.Performance Characteristics of a High-Speed Energy-Saving Induction Motor with an Amorphous Stator Core［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2013（99）：1-9.

［10］Roman Kolano.Amorphous soft magnetic materials for the stator of a novel high-speed PMBLDC motor［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2013，49（4）：1367-1371.

［11］ZHU J G，RAMSDEN V S.Improved formulations for rotational core losses in rotating electrical machines［J］.IEEE Transactions on Magnetics，1998，34（7）：2234-2242．

［12］STUMBERGER B，HAMLER A，GORICAN V，et al.Accuracy of iron loss estimation in induction motors by using different iron loss models［J］.Journal of Magnetism and Magnetic Materials，2003，24（7）：272-276．

［13］朱龍飛，朱建國，佟文明，等.軸向磁通非晶合金永磁電機空載損耗解析計算方法［J］.中國電機工程學報，2017，37（3）：923-930.

2095－6835（2019）07－0068－02

TG139.8

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.07.068

王凱東（1981—），男，工程師，研究方向為特種電機及其控制。

〔編輯：嚴麗琴〕