低溫高速永磁電機(jī)硅鋼片鐵心電磁性能變化機(jī)理研究

摘 要：

由于低溫泵用高速電機(jī)工作在低溫環(huán)境中，探究低溫環(huán)境對(duì)構(gòu)件材料性能的影響、低溫條件對(duì)電機(jī)特性的作用機(jī)理以及形成統(tǒng)一的選材原則已經(jīng)成為該類電機(jī)亟待解決的問題。采用實(shí)驗(yàn)法在常溫（25 ℃）和低溫（-196 ℃）條件下對(duì)不同系列的冷軋無取向硅鋼片的電磁性能進(jìn)行了研究，分析了低溫環(huán)境與頻率對(duì)硅鋼片電磁性能的影響情況。基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)并采用有限元法計(jì)算了電機(jī)定子鐵耗，得到了電機(jī)采用不同系列硅鋼片的定子鐵耗分布以及變化情況。為了探究低溫環(huán)境下采用不同系列硅鋼片時(shí)電機(jī)定子鐵耗變化幅度不同的原因，采用低溫沖擊法對(duì)硅鋼片的矯頑力進(jìn)行測(cè)量，驗(yàn)證了有限元計(jì)算所得規(guī)律的正確性。探明低溫條件對(duì)硅鋼片電磁性能的影響機(jī)理，提出低溫高速高頻電機(jī)鐵心材料的選材建議，為低溫工作環(huán)境下低溫電機(jī)鐵心材料選材提供理論借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：低溫高速永磁電機(jī)；硅鋼片；磁性測(cè)量；損耗特性；低溫沖擊

DOI：10.15938/j.emc.2024.09.009

中圖分類號(hào)：TM355

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2024）09-0095-11

收稿日期： 2023-09-19

基金項(xiàng)目：軍民融合專項(xiàng)（JMRH2018XM03）

作者簡介：董傳友（1980—），男，博士，副教授，研究方向?yàn)榇笮碗姍C(jī)設(shè)計(jì)、電磁、流體、溫度等多物理場(chǎng)理論研究；

楊志飛（1995—），男，博士研究生，研究方向?yàn)闃O端環(huán)境永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)與關(guān)鍵材料電磁性能分析；

戈寶軍（1960—），男，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榇笮蜋C(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置的基礎(chǔ)理論與運(yùn)行；

王 越（1990—），男，博士研究生，研究方向?yàn)橛来烹姍C(jī)設(shè)計(jì)及多物理場(chǎng)研究；

李廣林（1984—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡姽や摬牧霞捌鋺?yīng)用技術(shù)。

通信作者：楊志飛

Research on mechanism of electromagnetic performance changes in silicon steel core of low temperature high speed permanent magnet motors

DONG Chuanyou1， YANG Zhifei1， GE Baojun1， WANG Yue1， LI Guanglin2

（1.School of Electrical and Electronic Engineering， Harbin University of Science and Technology， Harbin 150080， China；

2.Shougang Zhixin Electromagnetic Materials Research and Development （Beijing） Co.， Ltd.， Qian’an 064404， China）

Abstract：

Due to the use of high-speed motors in low-temperature environments for low-temperature pumps， exploring the impact of low-temperature environments on component material properties， investigating the mechanism of low-temperature conditions on motor characteristics， and forming unified material selection principles have become urgent issues for this type of motor. Experimental methods were used to study the electromagnetic properties of different series of cold-rolled non oriented silicon steel sheets under normal temperature （25 ℃） and low temperature （-196 ℃） conditions， and the influence of low temperature environment and frequency on the electromagnetic properties of silicon steel sheets were analyzed. Based on measured data and using finite element method， the stator iron loss of the motor was calculated， and the distribution and variation of stator iron loss of the motor using different series of silicon steel sheets were obtained. In order to explore the reasons for the different changes in stator iron loss of motors when using different series of silicon steel sheets in low-temperature environments， the low-temperature impact method was used to measure the coercivity of silicon steel sheets， and correctness of the law obtained from finite element calculations was verified. The mechanism of the influence of low-temperature conditions on the electromagnetic properties of silicon steel sheets has been explored， and suggestions for the selection of low-temperature， high-speed， and high-frequency motor core materials have been proposed， providing theoretical reference and guidance for the selection of low-temperature motor core materials in low-temperature working environments.

Keywords：low temperature and high speed permanent magnet motor； silicon steel sheet； magnetic properties measurement； loss characteristics； low temperature impact

0 引 言

低溫高速電機(jī)是低溫潛液泵的核心部件［1］。低溫電機(jī)主要分為異步電機(jī)和永磁同步電機(jī)，由于異步電機(jī)的功率因數(shù)較低，運(yùn)行效率不高，近年來永磁同步電機(jī)具備清潔、高效的顯著優(yōu)勢(shì)，成為了低溫電機(jī)的研究發(fā)展趨勢(shì)。低溫電機(jī)工作在深冷環(huán)境中，電機(jī)鐵心材料在低溫環(huán)境下的性能勢(shì)必會(huì)發(fā)生改變，從而影響電機(jī)的運(yùn)行效率。由于高速永磁電機(jī)的頻率與轉(zhuǎn)速較高，電機(jī)鐵心損耗較大，鐵心材料在低溫環(huán)境下性能的變化導(dǎo)致?lián)p耗受到的影響也會(huì)更加顯著，且目前低溫電機(jī)尚未形成統(tǒng)一的選材原則。因此，明確鐵心材料在低溫環(huán)境中的電磁性能及其變化規(guī)律，對(duì)低溫電機(jī)的材料選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義［2-3］。

在關(guān)于電機(jī)材料低溫性能及低溫電機(jī)研究方面，國內(nèi)外學(xué)者做了大量有價(jià)值的研究工作。文獻(xiàn)［2］分析了低溫沖擊前后永磁體的磁性能變化，結(jié)果表明永磁體的磁性略有惡化。文獻(xiàn)［3-4］根據(jù)銅和鋁在不同溫度下的電阻率數(shù)據(jù)，給出電阻關(guān)于溫度的擬合函數(shù)，研究了永磁體剩磁隨溫度的變化關(guān)系。文獻(xiàn)［5-6］測(cè)量了釹鐵硼和釤鈷的低溫性能，結(jié)果顯示釹鐵硼在液氮中浸泡后剩磁測(cè)量結(jié)果呈現(xiàn)無規(guī)律變化，而釤鈷在低溫環(huán)境下的剩磁比室溫時(shí)略高。得到了釤鈷永磁體更適用于低溫電機(jī)的結(jié)論。文獻(xiàn)［7］對(duì)國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于低溫電機(jī)導(dǎo)磁材料、導(dǎo)體材料、絕緣及永磁材料的低溫特性研究結(jié)果進(jìn)行了調(diào)研與總結(jié)。文獻(xiàn)［8-10］測(cè)量了在低溫環(huán)境下的不同牌號(hào)硅鋼片的磁性能，發(fā)現(xiàn)部分硅鋼片的低溫?fù)p耗較常溫環(huán)境差別不大，另一部分硅鋼片的低溫?fù)p耗略高于常溫?fù)p耗。文獻(xiàn)［11］研究了兩種硅鋼片分別在低溫和常溫下磁化曲線的情況，給出了硅鋼片磁滯損耗的計(jì)算結(jié)果，最終在兩種硅鋼片中給出了選材參考。文獻(xiàn)［12］分別對(duì)硅鋼片和兩種不同牌號(hào)的非晶合金進(jìn)行了測(cè)試和比較，采用沖擊檢流法測(cè)量鐵心材料的基本磁化曲線，采用共地三電壓法測(cè)量各式樣在工頻下的鐵損和激磁功率，結(jié)果表明硅鋼片與非晶合金的飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度與損耗較常溫時(shí)略有增加。文獻(xiàn)［13］為了研究壓應(yīng)力對(duì)電機(jī)鐵心材料的影響，研制了一種新型的磁性能測(cè)量系統(tǒng)，在材料上施加壓應(yīng)力的同時(shí)測(cè)量其磁性能，分析應(yīng)力與磁性能之間的相關(guān)性，并通過有限元分析驗(yàn)證了該測(cè)量系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)［14］測(cè)量和分析了鐵氧體、納米晶和非晶合金3種磁性材料的磁性能和損耗特性，給出了這3種材料的適用場(chǎng)景的參考建議。文獻(xiàn)［15］針對(duì)高頻范圍內(nèi)測(cè)量時(shí)樣品溫度上升對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響進(jìn)行了研究，分析發(fā)現(xiàn)溫升與測(cè)試時(shí)間、勵(lì)磁信號(hào)強(qiáng)度和頻率呈正相關(guān)。

分析以上文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，很多學(xué)者及工程師主要關(guān)注電機(jī)鐵心材料的電磁性能，對(duì)于不同溫度環(huán)境下鐵心材料的電磁性能進(jìn)行了測(cè)試。高速電機(jī)的鐵心材料通常采用的是硅鋼片，由于在低溫電機(jī)中硅鋼片的選用尚未形成統(tǒng)一的原則，硅鋼片電磁性能受溫度及頻率的變化機(jī)理需要明確，因此有必要對(duì)低溫環(huán)境下硅鋼片電磁性能變化的原因進(jìn)行研究。

本文為了探明低溫環(huán)境對(duì)硅鋼片電磁性能的影響機(jī)理，以及低溫環(huán)境下不同系列硅鋼片對(duì)電機(jī)定子鐵耗的影響。首先建立低溫高速永磁電機(jī)的二維模型，鐵心材料選用4種不同系列的硅鋼片。采用SY-8258 B-H測(cè)量儀，對(duì)4種硅鋼片在常溫和低溫下的電磁性能進(jìn)行測(cè)量，研究其在不同頻率以及不同溫度時(shí)基本磁化曲線與損耗曲線的變化，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)電機(jī)定子鐵耗進(jìn)行有限元計(jì)算。進(jìn)一步地分析低溫沖擊過程中硅鋼片矯頑力的變化規(guī)律，探究采用不同材料電機(jī)定子各部分損耗變化幅度不同的原因，總結(jié)硅鋼片性能變化機(jī)理。提出低溫高速高頻電機(jī)鐵心材料的選材原則，從而為低溫高速永磁電機(jī)的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作提供理論依據(jù)與參考。

1 高速永磁電機(jī)模型的建立

1.1 物理模型與基本假設(shè)

本文以一臺(tái)額定轉(zhuǎn)速為35 000 r/min的低溫高速永磁電機(jī)為例，建立高速永磁電機(jī)的二維有限元模型如圖1所示。電機(jī)參數(shù)如表1所示。根據(jù)文獻(xiàn)［5］的結(jié)論，該電機(jī)采用釤鈷材料作為永磁體［16］。

為了計(jì)算方便，分析時(shí)作如下基本假設(shè)：

1）忽略電機(jī)外部磁場(chǎng)所占分量，假設(shè)定子外圓理想磁絕緣；

2）忽略交變磁場(chǎng)在導(dǎo)電材料中的渦流反應(yīng)；

3）不計(jì)除硅鋼片外其他電機(jī)材料低溫下電磁性能的改變；

4）不計(jì)位移電流的影響，電機(jī)內(nèi)的電磁場(chǎng)按照似穩(wěn)場(chǎng)計(jì)算。

1.2 定子鐵耗計(jì)算模型

為了準(zhǔn)確計(jì)算電機(jī)鐵耗，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)做了大量有價(jià)值的研究，提出了多種鐵耗計(jì)算的數(shù)學(xué)模型。目前應(yīng)用較廣的是Bertotti鐵耗分離模型［17］為

PFe=Ph+Pc+Pe=khfBxm+kcf2B2m+kef1.5B1.5m。（1）

式中：PFe為鐵心損耗；Ph為磁滯損耗；Pc為渦流損耗；Pe為附加損耗；Bm為鐵心磁通密度幅值；f為頻率；kh、x為磁滯損耗系數(shù)；kc為渦流損耗系數(shù)；ke為附加損耗系數(shù)。

其中損耗系數(shù)kh、x、kc和ke可由鐵心材料的損耗曲線擬合得出。受集膚效應(yīng)以及磁路飽和等因素的影響，且上述鐵耗分離模型假定磁場(chǎng)一維交變，然而電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中部分區(qū)域中的磁密為二維甚至三維旋轉(zhuǎn)磁化［18］。因此，可將一個(gè)電周期內(nèi)的磁密各方向分量Bx、By、Bz分解為各次諧波，計(jì)算一個(gè)單元的損耗，再累加各剖分單元的損耗，基于此計(jì)算方法可以考慮到旋轉(zhuǎn)磁化的影響，得到更加精確的電機(jī)定子鐵耗，即：

Ph=∑mj=1∑∞v=1［kh（B2xv+B2yv+B2zv）x2fv］Vj；（2）

Pc=∑mj=1kc（B2xm+B2ym+B2zm）f2Vj。（3）

式中Bxm、Bym、Bzm為磁密各分量在一個(gè)周期內(nèi)的最大值。

式（2）與式（3）為計(jì)及磁密旋轉(zhuǎn)磁化情況下的磁滯損耗與渦流損耗的計(jì)算公式，由于集膚效應(yīng)對(duì)附加損耗分量的影響較小［19-20］，因此本文的電機(jī)定子鐵耗按照下式進(jìn)行計(jì)算：

PFe=Ph+Pc+Pe=

∑mj=1∑∞v=1［kh（B2xv+B2yv+B2zv）x2fv］Vj+

∑mj=1kc（B2xm+B2ym+B2zm）f2Vj+kef1.5B1.5m。（4）

2 硅鋼片電磁性能的測(cè)量

2.1 測(cè)量條件與測(cè)試原理

由于硅鋼片的導(dǎo)磁性能良好，因此常被用作電機(jī)鐵心材料。熱軋硅鋼片的表面質(zhì)量及精度與冷軋硅鋼片相比差距較大［21-22］，因此本文主要研究冷軋硅鋼片的電磁性能。

考慮到實(shí)驗(yàn)的安全性，本文的低溫試驗(yàn)將在液氮（-196 ℃）中進(jìn)行。本實(shí)根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 3658—2008軟磁材料交流磁性能環(huán)形試樣的測(cè)量方法》的樣品規(guī)格要求和操作流程，采用中頻薄帶系列樣品1（0.15 mm）、去應(yīng)力退火系列樣品2（0.2 mm）、高效系列樣品3（0.3 mm）以及50W310四種不同系列的冷軋硅鋼片作為被測(cè)試樣。使用日本巖崎Iwatsu SY-8258測(cè)量儀進(jìn)行測(cè)試，分別在常溫環(huán)境條件（25 ℃）和低溫環(huán)境條件（-196 ℃）下，測(cè)量各試樣的磁化曲線和損耗特性曲線。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。

圖2（a）為本實(shí)驗(yàn)構(gòu)建的低溫環(huán)境，即將測(cè)試樣件完全浸泡在液氮罐中；（c）圖為樣品的繞線情況，初級(jí)線圈與次級(jí)線圈的繞線匝數(shù)均為30匝，其中藍(lán)色銅線連接（b）圖測(cè)試盒中的初級(jí)線圈端口，綠色銅線連接次級(jí)線圈端口。

磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁密以及損耗的測(cè)量原理［14］為：

H（t）=N1LeI1（t）；（5）

B（t）=1N2Ae∫V2（t）dt；（6）

P=N1N21T∫T0I1（t）V2（t）dt；（7）

Pm=Pm。（8）

式中：N1為初級(jí)線圈匝數(shù)；N2為次級(jí)線圈匝數(shù)；Le為有效磁路長度；Ae為有效截面積；I1（t）為通入初級(jí)線圈的電流；V2（t）為次級(jí)線圈的電壓；T為勵(lì)磁電流的周期；m為測(cè)試樣件的質(zhì)量。

SY-8258磁滯回線測(cè)量儀的測(cè)試精度如表2所示。其中，追加誤差是指勵(lì)磁電流或感應(yīng)電壓的振幅比檢測(cè)量程小的情況下追加計(jì)算的誤差。

損耗的測(cè)試精度為

G=±［y+z+（x×π/180）×tanθ×100］。（9）

其中：y為勵(lì)磁電流誤差，A；z為感應(yīng)電壓誤差，V；x為相位角誤差，（°）；θ為樣品的相位角，（°）。

表3為本文研究的4種硅鋼片的尺寸參數(shù)，樣品1為中頻薄帶系列產(chǎn)品，其特點(diǎn)是在高頻下電磁性能優(yōu)異，樣品2為去應(yīng)力退火系列，其特點(diǎn)是退火后鐵損低、磁感高，加工性能良好，樣品3為高效系列產(chǎn)品，其特點(diǎn)是比對(duì)應(yīng)的常規(guī)牌號(hào)的鐵損低，磁感高，50W310為太鋼生產(chǎn)的普通硅鋼片。

由于樣品1～樣品3在牌號(hào)方面涉及保密要求，且本文的目的是探究低溫環(huán)境下硅鋼片電磁性能的變化機(jī)理，從而為低溫電機(jī)的材料選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考，并不僅局限于文中這4種硅鋼片進(jìn)行研究與分析。出于以上考慮，樣品1～樣品3的詳細(xì)牌號(hào)信息沒有在文中表明。

2.2 誤差分析

基本磁化曲線的測(cè)定需要選擇不同的磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)鐵磁材料進(jìn)行反復(fù)磁化，進(jìn)行一次測(cè)量的時(shí)間約為5 s左右，當(dāng)一次測(cè)量結(jié)束后立即更改激勵(lì)條件或者頻率，進(jìn)行下一次測(cè)量，即對(duì)樣品進(jìn)行快速連續(xù)且施加較大勵(lì)磁條件的測(cè)量時(shí)，樣品表面溫度會(huì)顯著升高，達(dá)到40～50 ℃左右，如圖3所示。

為了研究這種現(xiàn)象是否會(huì)導(dǎo)致誤差的出現(xiàn)從而影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，針對(duì)本文所研究的材料分別采用了連續(xù)測(cè)量和間斷測(cè)量2種方法在常溫環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖4所示。圖中縱坐標(biāo)的數(shù)值為磁密幅值Bm、剩磁Br、矯頑力Hc、損耗Pm的數(shù)值大小，間斷測(cè)量的間斷時(shí)間是以保證每一次測(cè)量時(shí)樣品的溫度都恢復(fù)至常溫即可。

從圖4可以看出，以樣品1為例，在1 300 A/m的勵(lì)磁條件下，頻率分別在50、500、1 000 Hz時(shí)，連續(xù)測(cè)量和間斷測(cè)量的結(jié)果差異很小。對(duì)其他測(cè)試樣件進(jìn)行了相同條件的測(cè)試，測(cè)試結(jié)果與圖4一致。由此可知，在本文后續(xù)的硅鋼片性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)條件下，連續(xù)測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差，無需等待樣品冷卻。

2.3 硅鋼片的磁化曲線測(cè)量

硅鋼片分別在常溫和低溫環(huán)境下的基本磁化曲線如圖5所示。將樣件在液氮中完全浸泡1小時(shí)后開始測(cè)量，且測(cè)量過程中樣件始終浸泡在液氮中。

從圖5可以看出，在不同頻率、相同溫度條件下，0.6～1 kHz范圍內(nèi)頻率的改變對(duì)硅鋼片的磁化曲線影響很小。為了探究低溫環(huán)境對(duì)硅鋼片磁化曲線的影響，對(duì)比相同頻率、不同溫度下4種材料的基本磁化曲線可以看出，4種硅鋼片的低溫飽和磁密均大于常溫飽和磁密。其中，50W310硅鋼片的低溫飽和磁密的增加量相對(duì)于另外3種硅鋼片都要高，但是其所需要施加的磁場(chǎng)強(qiáng)度是另外3種硅鋼片的兩倍。以上4種系列硅鋼片的磁性能在低溫下均優(yōu)于常溫狀態(tài)，這是由于在低溫條件下，硅鋼片的磁阻降低，因此其導(dǎo)磁性能上升。

2.4 硅鋼片的損耗曲線測(cè)量

為了探究低溫環(huán)境對(duì)于硅鋼片損耗的影響，對(duì)比不同溫度、頻率相同時(shí)各材料的損耗情況。同樣將樣件在液氮中完全浸泡1小時(shí)后開始測(cè)量，且測(cè)量過程中樣件始終浸泡在液氮中。各樣件在不同溫度以及不同頻率時(shí)的損耗曲線如圖6所示。

通過圖6可知，4種硅鋼片在相同溫度環(huán)境下，頻率越高，損耗越大；在相同頻率下，隨著溫度的降低，損耗逐漸增大。通過比較各材料不同頻率下的常溫?fù)p耗和低溫?fù)p耗的情況可以看出，頻率越高時(shí)，溫度的變化對(duì)損耗的影響越明顯，高頻低溫條件下?lián)p耗的增加幅度越來越大。

由于在低溫環(huán)境下，隨著溫度的降低，硅鋼片的電阻率降低，導(dǎo)致了渦流損耗增大；矯頑力增大，導(dǎo)致了磁滯損耗增大，因此硅鋼片鐵心損耗增加，而高頻條件會(huì)使這一影響更加明顯。

為了比較4種硅鋼片在相同條件下的性能，低溫永磁電機(jī)通常轉(zhuǎn)速較高，在極數(shù)較小的同時(shí)頻率較大，因此對(duì)比了4種硅鋼片在頻率為1 kHz時(shí)的磁化曲線和損耗曲線，結(jié)果如圖7、圖8所示。從圖7可以看到，4種材料在低溫下的磁密幅值均比常溫時(shí)要大，樣品1、樣品2、樣品3、50W310的低溫磁密幅值分別比常溫增大了0.031、0.057、0.069、0.115 T。雖然50W310的低溫磁密增加幅度最大，但其達(dá)到磁飽和所需要的磁場(chǎng)強(qiáng)度太大，達(dá)到磁飽和的速度最慢。樣品3達(dá)到磁密飽和的速度最快。

從圖8可以看出，相比于其他3種材料，50W310的損耗最大。磁密在1 T之前，樣品1的損耗最低，在1 T之后，樣品3的損耗最低。樣品3的損耗隨磁密增加的幅度相較于樣品1與樣品2要小，磁密在1.5 T時(shí)，樣品3的低溫?fù)p耗最小。

結(jié)合圖7與圖8可知，在相同溫度、頻率的條件下，樣品3的導(dǎo)磁性能最優(yōu)。當(dāng)磁密在1.5 T以上時(shí)，無論是常溫還是低溫環(huán)境，樣品3的損耗最小。

3 定子鐵耗有限元分析

基于上文測(cè)量得到的硅鋼片分別在常溫以及低溫環(huán)境下的磁化曲線與損耗曲線，將其導(dǎo)入到電機(jī)物理模型中，采用有限元法對(duì)電機(jī)定子鐵耗進(jìn)行仿真計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

從表4中可以看出，采用本文所研究的4種不同類型的硅鋼片作為鐵心材料的電機(jī)，其定子鐵耗在低溫環(huán)境下均有所增加，增加的幅度大小如表5所示。根據(jù)表5可知，采用高效系列硅鋼片的樣品3作為鐵心材料的電機(jī)定子鐵耗增加幅度最小，采用50W310的電機(jī)定子鐵耗增加幅度最大。

為了避免高速永磁電機(jī)損耗過大導(dǎo)致溫升過高，從本文的研究結(jié)果來看，將高效系列硅鋼片作為電機(jī)鐵心材料為較優(yōu)選擇。

但不同系列的硅鋼片應(yīng)用在低溫環(huán)境下時(shí)，其鐵耗增加幅度大小各不相同。因此，并探究產(chǎn)生該結(jié)果的原因和機(jī)理，并對(duì)低溫電機(jī)的鐵心材料選材提供參考和借鑒，對(duì)于該結(jié)果需要進(jìn)行進(jìn)一步地探討和分析。

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證

4.1 低溫沖擊過程硅鋼片矯頑力與損耗的變化

為了探究材料在低溫條件下硅鋼片損耗變化幅度不同的原因，在4種硅鋼片均進(jìn)入磁飽和狀態(tài)下，研究了在低溫沖擊過程中硅鋼片矯頑力的變化情況。本文提出一種新型的低溫沖擊過程的實(shí)驗(yàn)方法，選取了幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)與時(shí)間段進(jìn)行了測(cè)量，關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)是根據(jù)材料溫度變化的一瞬間進(jìn)行選取的，如圖9所示。關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)為：測(cè)試樣件被全部浸泡在液氮前（t1）、測(cè)試樣件剛剛完全浸泡在液氮中的一瞬間（t2）、測(cè)試樣件脫離液氮環(huán)境一瞬間（t3）。關(guān)鍵時(shí)間段為：測(cè)試樣件在液氮中持續(xù)浸泡（t2～t3）、測(cè)試樣件脫離液氮后靜置逐漸恢復(fù)常溫（t3之后）。

由于將樣品從液氮中拿出后其溫度恢復(fù)的速度較快，所以2個(gè)時(shí)間段的測(cè)量次數(shù)與時(shí)間不同。在t2～t3時(shí)間段中，每隔5分鐘測(cè)量一次，一共測(cè)量10組數(shù)據(jù)；t3之后每隔3分鐘測(cè)量一次，一共測(cè)量5組數(shù)據(jù)。測(cè)量結(jié)果如圖10所示。

從圖10可以看出，4種材料在放入液氮的一瞬間（t2）矯頑力突然增大。在液氮中持續(xù)浸泡過程中，矯頑力未發(fā)生明顯的變化。從液氮中拿出的一瞬間（t3），矯頑力突然降低，并且隨著時(shí)間逐漸回復(fù)到進(jìn)入液氮之前的情況。

對(duì)比不同頻率下硅鋼片矯頑力的變化情況能夠看出，頻率越高，硅鋼片受到低溫沖擊的影響越明顯，變化幅度越大，變化率也越大。由此可以看出，4種硅鋼片矯頑力對(duì)溫度及頻率的變化較為敏感。

在1 kHz頻率下，硅鋼片的損耗和矯頑力的變化情況如表6所示。從表6中可以看出，50W310從t1至t2時(shí)刻的矯頑力變化幅度最大，因此其在低溫環(huán)境下的損耗增加情況最明顯。

觀察表6的樣品1縱列可以看到，樣品1的矯頑力增加幅度最小，但其損耗增加幅度卻并不是最小的，這是因?yàn)闃悠?的磁滯損耗增加幅度相對(duì)較小，而其渦流損耗增加幅度較大。

將表5與表6進(jìn)行對(duì)比可以看出，雖然樣品3的低溫?fù)p耗增加幅度最小，但當(dāng)電機(jī)采用樣品3作為鐵心材料時(shí)，其低溫磁滯損耗增加幅度并不是最小的；當(dāng)采用樣品1作為鐵心材料時(shí)，低溫磁滯損耗增加幅度最小，而電機(jī)定子鐵耗的增加幅度卻比樣品3要大。根據(jù)表6可知，這是由于樣品1在低溫環(huán)境下矯頑力增加幅度最小，所以由矯頑力影響的磁滯損耗增幅也就最小。由此能夠看出，低溫沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了有限元計(jì)算所得規(guī)律的合理性。

影響硅鋼片損耗體現(xiàn)在矯頑力與電導(dǎo)率的變化上。硅鋼片的損耗主要可分為磁滯損耗、渦流損耗與附加損耗，其中磁滯損耗與渦流損耗的占比較大。磁滯損耗是硅鋼片在磁化過程中磁疇的運(yùn)動(dòng)引起的損耗，在磁化過程中一部分電磁能量會(huì)轉(zhuǎn)換成熱能表現(xiàn)出來；渦流損耗是由于硅鋼片為導(dǎo)電材料，在磁化過程中硅鋼片內(nèi)存在電流和感應(yīng)電勢(shì)，稱為渦流，渦流損耗同樣會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能的形式表現(xiàn)出來，因此在2.2節(jié)誤差分析中發(fā)現(xiàn)，測(cè)量過程中測(cè)試樣件表面的溫度會(huì)升高。

結(jié)合上文硅鋼片基本磁化曲線的測(cè)量結(jié)果可知，硅鋼片在低溫環(huán)境下的磁密增大，因此在去磁過程中，所需要施加的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度也就越大，即表現(xiàn)為矯頑力增大，因此硅鋼片的磁滯損耗增加；同時(shí)，隨著溫度的降低，硅鋼片的電阻率降低，電導(dǎo)率增大，從而導(dǎo)致渦流損耗增大，因此在低溫環(huán)境下硅鋼片的鐵心損耗增加。

4.2 低溫沖擊前后硅鋼片磁化曲線與損耗曲線研究

為了進(jìn)一步研究硅鋼片在液氮中長時(shí)間浸泡后再取出恢復(fù)至常溫時(shí)，其磁化曲線與損耗曲線是否發(fā)生了不可逆改變，將在液氮中浸泡2小時(shí)后的測(cè)試樣件取出并在常溫環(huán)境下靜置24小時(shí)，再次測(cè)量其磁化曲線與損耗曲線，與未浸泡之前的常溫磁化曲線與損耗曲線作對(duì)比，如圖11所示。

從圖11可以看出，以樣品2為例，其在液氮浸泡前和浸泡后的磁化曲線和損耗曲線基本一致，其性能未發(fā)生不可逆的變化。對(duì)其余材料進(jìn)行了同樣的測(cè)試和對(duì)比，結(jié)果均為未發(fā)生不可逆改變。由此可知，對(duì)同一個(gè)測(cè)試樣件進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)，從低溫環(huán)境中取出，該樣件的性能沒有發(fā)生不可逆變化，可以對(duì)該樣件進(jìn)行其他試驗(yàn)，該結(jié)果驗(yàn)證了本文低溫實(shí)驗(yàn)方法的合理性。

5 硅鋼片低溫電磁性能變化機(jī)理

由上文可知，硅鋼片在低溫條件下的飽和磁密增加，低溫磁性能均優(yōu)于常溫磁性能。這是由于在低溫條件下，硅鋼片的磁阻降低，磁導(dǎo)率增大，因此其導(dǎo)磁性能上升。硅鋼片在1 kHz頻率下相對(duì)磁導(dǎo)率隨溫度的變化情況如圖12所示。

從圖12中可以看出，硅鋼片的在低溫環(huán)境下的相對(duì)磁導(dǎo)率增大，其中，所測(cè)量的硅鋼片磁導(dǎo)率為線性磁導(dǎo)率。

比較硅鋼片分別在常溫和低溫條件下的損耗可以看出，頻率越高時(shí)，溫度的變化對(duì)損耗的影響越明顯，高頻低溫條件下?lián)p耗的增加幅度越來越大。這是由于在低溫環(huán)境下，隨著溫度的降低，硅鋼片的電阻率降低，導(dǎo)致了渦流損耗增大；矯頑力增大，導(dǎo)致了磁滯損耗增大，因此硅鋼片鐵心損耗增加，而高頻條件會(huì)使該影響更加顯著。

磁滯損耗正比于交變磁場(chǎng)的頻率f、磁滯回線的面積和鐵磁材料的體積V，磁滯回線的面積正比于飽和磁密Bm的n次方，n為施泰因梅茨系數(shù)，n的值取決于材料，對(duì)于一般硅鋼片，n取1.6～2.3。磁滯損耗可表示為

ph=ChfBnmV。（10）

式中Ch為取決于材料性質(zhì)的常數(shù)。

當(dāng)磁滯損耗系數(shù)Ch、頻率f、體積V一定時(shí)，低溫條件下硅鋼片飽和磁密Bm的增加，導(dǎo)致了材料在去磁過程中，所需要施加的反向磁場(chǎng)強(qiáng)度也就越大，即矯頑力增大，鐵磁材料的磁滯回線與坐標(biāo)軸所圍成的面積增大，所以磁滯損耗增加。

渦流在鐵心中所引起的電阻損耗稱為渦流損耗pe，可表示為

pe=CeΔ2f2B2mV。（11）

式中：Ce為渦流損耗系數(shù)，反比與材料的電阻率；Δ為硅鋼片厚度。

當(dāng)硅鋼片厚度Δ、頻率f、體積V一定時(shí)，隨著溫度的降低，材料的電阻率降低，渦流損耗系數(shù)Ce增大，且飽和磁密Bm增加，因此渦流損耗增大。

6 結(jié) 論

本文采用一臺(tái)B-H測(cè)量儀測(cè)量得到了硅鋼片的磁化曲線和損耗特性，采用有限元法計(jì)算了電機(jī)定子鐵耗，通過實(shí)驗(yàn)分析并探究了不同頻率、溫度下測(cè)試樣品的電磁特性變化規(guī)律，揭示了硅鋼片在低溫條件下的電磁性能變化機(jī)理，主要結(jié)論如下：

1）高速永磁電機(jī)的定子鐵耗在低溫環(huán)境下增加，由于中頻薄帶硅鋼片的低溫矯頑力增幅最小，因此其磁滯損耗增幅最小；采用高效系列硅鋼片作為鐵心材料時(shí)定子鐵耗增加幅度最小。

2）硅鋼片在低溫環(huán)境下的導(dǎo)磁性能變優(yōu)，但低溫?fù)p耗較常溫時(shí)均增大。這是由于在低溫條件下，硅鋼片的磁阻降低，磁導(dǎo)率增大，因此其導(dǎo)磁性能上升；硅鋼片的電阻率降低，導(dǎo)致了渦流損耗增大；硅鋼片的矯頑力增大，導(dǎo)致了磁滯損耗增大，因此硅鋼片鐵心損耗增加。高頻會(huì)使該影響更加顯著。

3）硅鋼片的矯頑力對(duì)溫度變化較為敏感，其低溫?fù)p耗增加幅度由矯頑力以及電導(dǎo)率決定。低溫沖擊前后硅鋼片的電磁性能均未發(fā)生不可逆改變。

4）由于低溫環(huán)境下硅鋼片的導(dǎo)磁性能增加，在結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)方面可以對(duì)電機(jī)的尺寸參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步地優(yōu)化，如小型、輕量化設(shè)計(jì)。

基于以上結(jié)論，低溫高速電機(jī)鐵心材料為硅鋼片時(shí)，選材可按如下原則進(jìn)行參考：應(yīng)優(yōu)先選擇低矯頑力、低電導(dǎo)率的硅鋼片作為低溫電機(jī)鐵心材料。

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（編輯：劉琳琳）