鐵心應力對永磁電機性能的影響*

鄭 永 ，孫瑞杰

（包頭長安永磁電機有限公司，內蒙古 包頭 014030）

經濟的快速發展推動了永磁電機產業專業化趨勢的進一步形成，對電機相關性能、技術標準和產品運行穩定性等方面都提出了更高的要求，永磁電機要想在更廣闊的應用領域獲得發展，必須從各個環節強化相關性能，使得電機的整體質量和性能指標都達到更高水準。隨著永磁電機應用范圍的進一步擴大，電機制造材料需要達到的應力強度和電磁性能，充分提升永磁電機制造時的總體性能。因此，相關課題的研究，對于永磁電機的應用領域拓展有著極其重要的影響[1]。

1 永磁電機鐵心材料性能分析

對于永磁電機來說，鐵心是電機內非常重要的組成部分，對于鐵心材料的選擇，需要充分考慮導磁性能能否滿足永磁電機工作需要。通常情況下，永磁電機都選擇電工鋼作為鐵心材料，其主要原因就是電工鋼在導磁性能方面的表現較好。電機鐵心材料的選擇對于永磁電機的整體性能以及電機成本控制都有非常重要的影響，當永磁電機進行制造、裝配和正式運轉的過程中會在鐵心上形成一定的應力。而應力的存在會直接影響到電工鋼片的磁導性能，造成導磁能力不同程度的下降，永磁電機的性能因此會有所下降，并且會增加電機損耗。

對于高品質的永磁電機產品來說，其性能指標非常嚴格苛刻。在永磁電機的設計制造中，對材料的選擇和利用要求越來越高，甚至接近材料性能的極限標準和水平，作為永磁電機鐵心材料的電工鋼，在相關

應用技術以及鐵耗精確計算等方面必須達到非常高的精確度要求，才能滿足實際需要。原來所運用的傳統電機設計的方法計算電工鋼的電磁特性顯然是不準確的，因為這些常規方法主要針對常規條件，計算結果會有較大偏差[2]。因此，需要一種新的計算方法針對應力場條件下的電工鋼導磁性能和鐵損情況進行精確計算，使得鐵心材料的應用水平更高，永磁電機的效率等性能指標達到更高水平。

2 永磁電機鐵心材料性能的實驗研究

電工鋼作為永磁電機鐵心材料的主要選擇，鐵心材料的應力-磁感性能和應力-鐵損性能是永磁電機設計和制造中重點關注的內容，通過具體實驗探究相關性能，是進行鐵心材料性能鑒定和選擇的基礎。利用實驗方式充分研究相關課題，也是保證相關選擇、滿足設計和應用的必要條件。

2.1 電工鋼作為永磁電機鐵心材料的應力-磁性能實驗分析

通過實驗的方式研究電工鋼的應力-磁性能是永磁電機鐵心設計必須進行的一個程序，在本文的研究中，電工鋼材料的厚度為0.35 mm，電工鋼測試應力設定范圍為-160 MPa～160 MPa，負值為壓縮狀態，正值為拉伸狀態。實驗目的就是在該應力條件下電工鋼發生損耗以及對應的磁感特性。考慮到電工鋼作為永磁電機的鐵心材料，因此實驗中需要模擬工況下永磁電機鐵心材料的應力-磁性能，所以將材料結構以及周圍磁場分布采取周向對稱設置，并在測試時取橫向和軋向片組樣，所得結果為電工鋼應力-磁性能量化均值[3]。

2.1.1 電工鋼應力-磁感性能分析

通過相關實驗及其結果的分析，導致鐵心材料導磁性能發生退化的最主要表現是鐵心磁彈性能以及鐵心應力退磁，因此，相關研究必然將此作為主要的研究方向。具體來說，其分析可從兩個方面進行。

首先，按照相關鐵磁學理論，無取向電工鋼的鐵磁性能表現為各向同性。如果構成電工鋼的磁性多晶材料被外加一定強度的單軸應力，當磁化強度與應拉力在方向上趨于一致，則會使得磁化效果加強，在此條件下，外加壓力使得材料的磁彈性能處于較低水平。當磁化強度逐漸向垂直壓力方向轉動，使得電工鋼的磁化作用受到影響，材料導磁性能會顯著降低。

其次，對于電工鋼材料的應力退磁現象，所承受的應力將導致材料內部晶粒排列有所改變，包括晶粒的排列方向以及位置都與原來有很大差異。這種改變會導致晶面方向形成新的磁極，進而創造了一個相悖于外加磁場方向的退磁磁場，兩相抵消，電工鋼磁化難度加大，材料的磁導率也因此降低，外應力作用下發生退磁問題。且外加壓應力越大，退磁場也會快速增加，而拉應力對于退磁效應的影響并不顯著[4]。

2.1.2 電工鋼應力-鐵損性能分析

對電工鋼的應力-鐵損性能進行研究，需要重點考慮兩個指標：矯頑力及剩磁，這兩個指標可以表征軟磁材料的性能，通過明確這兩個指標，可以獲知電工鋼的磁疇結構以及材料特性。同時，矯頑力的大小和電工鋼材料發生反磁化現象高度相關，可以直接決定電工鋼的損耗特性。這些情況可進一步說明矯頑力及剩磁研究的必要性，也是相關研究中一個非常重要的內容[5]。

實驗發現，壓應力作用下，材料中以疇壁位移機制為主要模式，隨著壓應力逐漸增大，矯頑力與磁滯回線的影響范圍進一步增大，此時，電工鋼材料的鐵損值會持續增加。在拉應力作用下，材料中的反磁化機制也會以疇壁位移機制為主要模式，在此情況下，疇壁釘扎會持續降低，矯頑力和鐵損值也會顯著降低。對于普通電工鋼材料，拉應力超過20 MPa時，材料中出現的反磁化起主導作用的是磁疇轉動機制，此時，電工鋼材料在各向異性方面的差異逐漸增大，使得矯頑力和鐵損值也會進一步增大[6]。

當應力作用發生改變，電工鋼材料的磁感和損耗隨之改變，通過實驗可以發現，對于電工鋼材料而言，在-40 MPa～40 MPa的應力范圍內，這是電工鋼材料磁性能最為敏感的區域，且處于0～20 MPa拉應力范圍內時，電工鋼磁性能還會有一定優化效果。

2.2 永磁電機電工鋼鐵心應力分析

分析永磁電機工況下的鐵心所受應力影響，應力來源有很多種，且各種應力來源呈現出很多完全不同的性質。從永磁電機定子鐵心應力形式來看，其形成的來源包括沖剪、鉚焊、疊壓、機殼過盈裝配等，而影響面積最大最顯著的是機殼過盈裝配導致的應力作用。對于永磁電機轉子而言，其承受的應力來源主要包括熱應力、離心力、電磁力等，相比普通電機，永磁電機正常情況下的轉速比較高，同時在轉子鐵心部位還要設置隔磁結構。因此，離心應力是最主要的應力來源[7]。

永磁電機外形特征大體呈現圓柱狀，在對電機鐵心進行受力分析時選擇圓柱坐標系會更加方便一些。永磁電機機殼過盈裝配導致產生的定子鐵心應力主要以壓應力方式存在，其作用點集中在電機定子鐵心的軛部，應力方向表現為圓周切向。而永磁電機轉子離心力形成應力性質是拉應力，該應力幾乎完全作用在轉子的鐵心上，其最大離心應力作用在永磁電機轉子隔磁橋與加強筋交匯的地方，使得該部位容易因此發生性能下降的情況。

3 鐵心應力對永磁電機總體性能影響分析

鐵心應力是永磁電機工況下不可避免的情況，因為鐵心應力的存在，會對鐵心材料的導磁性能有很大影響，進而造成永磁電機的轉矩、磁場分布以及電感量等重要指標下降。通過研究分析永磁電機鐵心應力對磁場性能指標的影響，掌握其規律，可以為永磁電機設計精度的提升奠定技術基礎[8]。

3.1 鐵心應力對永磁電機磁場的影響

受應力場作用的直接影響，永磁電機定轉子鐵心內部的磁導率分布產生一定變化，轉子鐵心以及定子齒部因所處位置發生變化相對較小，而電機定子的軛部磁導率變化就比較顯著。對永磁電機關鍵部位磁密變化進行分析，在飽和作用影響下電機轉子加強筋及隔磁橋等處的磁密度并沒有太大變化。電機定子以及主磁路等位置磁密度有非常顯著的變化。這也可以進一步說明永磁電機運轉過程中鐵心應力對于電機磁密度分布以及導磁性能的作用。

對永磁電機應力場中鐵心磁導率進行求解，具體方法為通過材料應力條件作用效果與電機磁感曲線進行擬合，所得的就是比較準確的結果。實際求解時還要計算機仿真電機的定轉子鐵心應力，利用專業軟件進一步求解電機磁場以及鐵心磁導率，其數值的精確度通過對相關參數選擇而得到更加有效的保證[9]。

3.2 應力對鐵心損耗的影響

對應力條件下永磁電機鐵耗的計算，一般情況下均采用Bertotti鐵耗分離模型，并將其與材料損耗測試曲線進行擬合，得到相應的結果。對于應力與損耗的作用機理主要是來自應力退磁效應和疇壁位移機制的影響，這些作用不會對電工鋼電導率以及原有的各種渦流損耗等產生影響，在實際計算中不必調整這些內容。對于確定轉速工況的情況，分析永磁電機發生鐵損的具體分布，因為受到應力作用，永磁電機定子的軛部壓應力會比較集中，該部位損耗較大，性能明顯惡化，永磁電機定子軛部存在較大的鐵耗問題，尤其是定子齒軛交接部位鐵耗受應力影響增加幅度最大。

在實際研究中，可以利用仿真方法通過建立永磁電機的數學模型進行相關計算，通過計算發現永磁電機鐵耗因為拉應力影響增加了40%～50%，這一增加幅度還是比較驚人的，因此也造成了永磁電機總損耗的顯著增加。通過分析還可以發現，電機鐵耗是壓應力影響導致定子鐵心形成的主要損耗形式，對于電機轉子來說，運轉狀態下鐵心處于離心拉應力狀態下，不但不會增加鐵心損耗，反而還會有一定的改善效果。

3.3 應力對電感量與轉矩的影響

因為應力的作用使得永磁電機鐵心磁導性能嚴重下降，這同時還造成了永磁電機的嚴重損耗問題，電機磁阻與電感參數變化，進而主磁通量與漏磁通量都發生變化。通過分析和計算永磁電機應力場，可以對電機軸電流-電感特性進行更加細致的仿真研究。電機鐵心磁感性能在鐵心應力條件下發生惡化，其軸電感會一定程度降低，具體分析永磁電機磁路，軸磁路主要包括三個部分：氣隙、永磁體和定轉子鐵心，其中，永磁體是最主要的部分[10]。

基于這一原因，當永磁電機鐵心磁感性能發生改變時，并不能造成軸電感發生很大的變化。永磁電機氣隙與定轉子鐵心共同構成的軸磁路部分，與永磁體磁阻量相比小得多，將鐵心應力的影響充分考慮，磁感性能發生惡化，軸電感會顯著降低。對永磁電機鐵心應力-磁性能的影響進行分析，隨著電機鐵心磁感性能下降，電機的磁鏈減小，永磁電機電磁轉矩也會因此下降。

4 結束語

綜上所述，永磁電機的設計制造過程中，需要充分考慮鐵心材料應力-磁效應對整機的性能影響，尤其目前對于永磁電機性能指標要求越來越高的情況下，更需要對鐵心材料選擇方面加強分析研究，使得相關參數的計算與實際需要達到更高水平的滿足程度。當應力作用條件發生變化，永磁電機鐵心的導磁性能和損耗性能都會發生改變，且壓應力與拉應力條件對鐵心性能表現存在較大差異。在實際設計中，需要根據永磁電機性能參數和規格標準來進行計算和分析，相關方法和流程基本一致，這也是類似課題研究的現實價值所在。